CITLIVÉ TEPLO: KONCEPT, VZORCE A RIEŠENÉ CVIČENIA - FYZICKÝ - 2024

Citeľné teplo je tepelná energia dodávaná do predmetu jej teploty na vzostupe. Je to opak latentného tepla, pri ktorom tepelná energia nezvyšuje teplotu, ale podporuje fázovú zmenu, napríklad z tuhej na kvapalnú.

Príklad objasňuje tento koncept. Predpokladajme, že pri izbovej teplote máme teplotu 20 ° C. Keď ho umiestnime na kachle, dodávané teplo pomaly zvyšuje teplotu vody, až kým nedosiahne 100 ° C (teplota varu vody na hladine mora). Dodané teplo sa nazýva citlivé teplo.

Teplo, ktoré ohrieva ruky, je rozumné teplo. Zdroj: Pixabay

Keď voda dosiahne bod varu, teplo dodávané horákom už nezvyšuje teplotu vody, ktorá zostáva na 100 ° C. V tomto prípade sa tepelná energia dodáva do odparovania vody. Dodané teplo je latentné, pretože nezvýšilo teplotu, ale namiesto toho spôsobilo zmenu z kvapalnej fázy na plynnú fázu.

Je experimentálnou skutočnosťou, že citlivé teplo potrebné na dosiahnutie určitej zmeny teploty je priamo úmerné tejto zmene a hmotnosti predmetu.

Koncepcia a vzorce

Bolo pozorované, že okrem hmotnosti a teplotného rozdielu závisí teplo aj od materiálu. Z tohto dôvodu sa konštanta proporcionality medzi citlivým teplom a súčinom rozdielu hmotnosti a teploty nazýva špecifické teplo.

Množstvo dodávaného citlivého tepla tiež závisí od spôsobu vykonávania procesu. Napríklad sa líši, ak sa proces uskutočňuje pri konštantnom objeme ako pri konštantnom tlaku.

Vzorec pre citlivé teplo v izobarickom procese, to znamená pri konštantnom tlaku, je nasledujúci:

Q = cp. m (Tf - T i)

Vo vyššie uvedenej rovnici Q je zmysluplné teplo dodávané do objektu hmoty m, ktorý zvýšil svoju počiatočnú teplotu T _i na konečnú hodnotu Tf. V predchádzajúcej rovnici sa tiež objavuje cp, čo je merné teplo materiálu pri konštantnom tlaku, pretože proces sa uskutočnil týmto spôsobom.

Pamätajte tiež na to, že citlivé teplo je pozitívne, ak je absorbované objektom a spôsobuje zvýšenie teploty.

V prípade, že sa teplo dodáva do plynu uzavretého v tuhej nádobe, proces bude izochorický, to znamená v konštantnom objeme; a vzorec rozumného tepla bude napísaný takto:

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

Adiabatický koeficient γ

Podiel medzi špecifickým teplom pri konštantnom tlaku a špecifickým teplom pri konštantnom objeme pre ten istý materiál alebo látku sa nazýva adiabatický koeficient, ktorý sa všeobecne označuje gréckym písmenom gama γ.

Adiabatický koeficient je väčší ako jednota. Teplo potrebné na zvýšenie teploty jedného gramového telesa o jeden stupeň je väčšie v izobarickom procese ako v izochorickom procese.

Je to tak preto, že v prvom prípade sa časť tepla používa na vykonávanie mechanických prác.

Okrem špecifického tepla je obvykle tiež definovaná tepelná kapacita tela. To je množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty tohto tela o jeden stupeň Celzia.

Tepelná kapacita C

Tepelná kapacita je označená veľkým písmenom C, zatiaľ čo merná teplota je malá c. Vzťah medzi oboma množstvami je:

C = c = m

Kde m je hmotnosť tela.

Používa sa tiež molárne špecifické teplo, ktoré je definované ako množstvo citlivého tepla potrebné na zvýšenie teploty jedného mól látky o jeden stupeň Celzia alebo Kelvin.

Merné teplo v tuhých látkach, kvapalinách a plynoch

Molárne špecifické teplo väčšiny tuhých látok má hodnotu blízku trikrát R, kde R je univerzálna plynová konštanta. R = 8,314472 J / (mol *).

Napríklad hliník má mólové špecifické teplo 24,2 J / (mol ℃), meď 24,5 J / (mol ℃), zlato 25,4 J / (mol ℃) a mäkké železo 25,1 J / (mól). Všimnite si, že tieto hodnoty sú blízko 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Naopak, pre väčšinu plynov je molárne špecifické teplo blízko n (R / 2), kde n je celé číslo a R je univerzálna plynová konštanta. Celé číslo n súvisí s počtom stupňov voľnosti molekuly, ktorá tvorí plyn.

Napríklad v monatomickom ideálnom plyne, ktorého molekula má iba tri translačné stupne voľnosti, je molárne špecifické teplo pri konštantnom objeme 3 (R / 2). Ak je to však ideálny diatomický plyn, existujú navyše dva stupne rotácie, takže cv = 5 (R / 2).

V ideálnych plynoch platí nasledujúci vzťah medzi molárnym špecifickým teplom pri konštantnom tlaku a konštantnom objeme: cp = cv + R.

Voda si zaslúži osobitnú zmienku. V kvapalnom stave pri 25 ° C má voda cp = 4,1813 J / (g ℃), vodná para pri 100 stupňov Celzia má cp = 2,080 J / (g ℃) a vodná ľadová teplota pri 0 ° C má cp = 2 050 J / (g *).

Rozdiel s latentným teplom

Hmota môže byť v troch stavoch: pevná látka, kvapalina a plyn. Energia je potrebná na zmenu stavu, ale každá látka na ňu reaguje odlišne podľa svojich molekulárnych a atómových charakteristík.

Keď sa tuhá látka topí alebo sa odparuje kvapalina, teplota objektu zostáva konštantná, až kým všetky častice nezmenia svoj stav.

Z tohto dôvodu je možné, že látka je v rovnováhe v dvoch fázach: napríklad tuhá látka - kvapalina alebo kvapalina - para. Množstvo látky sa môže prenášať z jedného stavu do druhého pridaním alebo odstránením malého množstva tepla, zatiaľ čo teplota zostáva stabilná.

Teplo dodávané do materiálu spôsobuje, že jeho častice vibrujú rýchlejšie a zvyšujú svoju kinetickú energiu. To sa premieta do zvýšenia teploty.

Je možné, že získaná energia je taká veľká, že sa už nevracajú do svojej rovnovážnej polohy a zväčšuje sa ich oddelenie. Ak k tomu dôjde, teplota sa nezvýši, ale látka prechádza z tuhej látky na kvapalnú alebo z kvapalnej látky na plyn.

Teplo potrebné na to, aby sa to stalo, sa nazýva latentné teplo. Preto je latentné teplo teplo, ktorým látka môže meniť fázu.

Toto je rozdiel medzi citlivým teplom. Látka, ktorá absorbuje citlivé teplo, zvyšuje teplotu a zostáva v rovnakom stave.

Ako vypočítať latentné teplo?

Latentné teplo sa vypočíta podľa rovnice:

Kde L môže byť špecifické teplo odparovania alebo teplo fúzie. Jednotky L sú energia / hmotnosť.

Vedci pomenovali veľa mien v závislosti od typu reakcie, na ktorej sa zúčastňujú. Napríklad existuje reakčné teplo, spaľovacie teplo, teplo tuhnutia, teplo roztoku, teplo sublimácie a mnoho ďalších.

Hodnoty mnohých týchto druhov tepla pre rôzne látky sú uvedené v tabuľke.

Riešené cvičenia

Príklad 1

Predpokladajme, že má kus hliníka s hmotnosťou 3 kg. Spočiatku je pri 20 ° C a chcete zvýšiť teplotu na 100 ° C. Vypočítajte potrebné citeľné teplo.

Riešenie

Najprv musíme poznať špecifické teplo hliníka

cp = 0,897 J / (g ° C)

Potom bude potrebné množstvo tepla na zahriatie hliníka

Q = cpm (Tf-Ti) = 0,897 x 3 000 * (100 - 20) J

Q = 215 280 J

Príklad 2

Vypočítajte množstvo tepla potrebné na zohriatie 1 litra vody z 25 ° C na 100 ° C na hladine mora. Výsledok vyjadrte aj v kcal.

Riešenie

Prvá vec, ktorú si treba zapamätať, je to, že 1 liter vody váži 1 kg, tj 1 000 gramov.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1 000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

Kaloria je jednotka energie, ktorá je definovaná ako citlivé teplo potrebné na zvýšenie gramu vody o jeden stupeň Celzia. Preto je 1 kalórie rovnaké ako 4,1813 Joulov.

Q = 313597,5 J * (1 kal / 4,1813 J) = 75 000 kal = 75 kcal.

Príklad 3

360,16 gramový kus materiálu sa zahrieva z 37 ° C na 140 ° C. Dodaná tepelná energia je 1150 kalórií.

Zahrievanie vzorky. Zdroj: vlastný.

Nájdite špecifické teplo materiálu.

Riešenie

Merné teplo môžeme písať ako funkciu citlivého tepla, hmotnosti a zmeny teploty podľa vzorca:

cp = Q / (m ΔT)

Nahradením údajov máme nasledujúce:

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

Ale pretože jedna kalória sa rovná 4,1813 J, výsledok sa môže vyjadriť aj ako

cp = 0,130 J / (g ℃)

Referencie

1. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6 ^th . Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohľad na svet. 6 ^ta Editácia skrátená. Cengage Learning. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikácie. 7 .. Revidované vydanie. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitná fyzika s modernou fyzikou. 14 ^th . Volume1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fyzikálne základy. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.