Warmte -formules en eenheden, kenmerken, hoe wordt gemeten, voorbeelden

Hij warmte In de natuurkunde wordt het gedefinieerd als de Overgedragen thermische energie op voorwaarde dat objecten of stoffen die bij verschillende temperatuur zijn in contact worden gebracht. Deze energieoverdracht en alle processen die eraan zijn gekoppeld, is het object van de studie van de thermodynamica, een belangrijke tak van de fysica.

Warmte is een van de meerdere vormen die energie aannemen, en een van de meest bekende. Daarom is het de moeite waard om te vragen waar het vandaan komt. Het antwoord is in de atomen en moleculen die de materie vormen. Deze deeltjes in dingen zijn niet statisch. We kunnen ons voorstellen als kleine accounts verenigd door zachte bronnen, in staat om gemakkelijk te krimpen en te strekken.

Atomen en moleculen trillen binnen stoffen, wat zich vertaalt in interne energie. Bron: P. Tijpen. Fysica: concepten en toepassingen.

Op deze manier zijn deeltjes in staat om te trillen en kunnen hun energie gemakkelijk worden overgebracht naar andere deeltjes, en ook van het ene lichaam naar het andere.

De hoeveelheid warmte die een lichaam absorbeert of oplevert, hangt af van de aard van de stof, de massa en het temperatuurverschil. Het wordt zo berekend:

Q = m.C_En .AT

Waar Q Het is de hoeveelheid overgedragen warmte, M Het is de massa van het object, C_En Het is de specifieke warmte van de stof en Δt = t_laatste - T_voorletter, dat wil zeggen het temperatuurverschil.

Zoals alle vormen van energie, wordt warmte gemeten in Joures, In het International System (SI). Andere geschikte eenheden zijn: Ergios In het CGS -systeem, BTU In het Britse systeem, en de calorie, een veel voorkomende gebruiksterm om de energie -inhoud van voedsel te kennen.

[TOC]

Warmte -eigenschappen

De hitte van het vuur is energie bij de overdracht. Bron: Pixabay

Er zijn verschillende belangrijke concepten waarmee rekening moet worden gehouden:

-Warmte is ongeveer Energie in transport. Objecten hebben geen warmte, ze geven het alleen aan of absorberen het volgens de omstandigheid. Wat objecten doen zijn interne energie, Onder de interne configuratie.

Deze interne energie is op zijn beurt samengesteld uit kinetische energie geassocieerd met vibrerende beweging en potentiële energie, typisch voor moleculaire configuratie. Volgens deze configuratie zal een stof meer of gemakkelijker warmte overbrengen en dit wordt weerspiegeld in zijn specifieke warmte C_En, De in de vergelijking genoemde waarde om Q te berekenen.

-Het tweede belangrijke concept is dat warmte altijd wordt overgebracht van het heetste lichaam naar het koudste. De ervaring geeft aan dat de hitte van hete koffie altijd naar het porselein van de beker en de plaat gaat, of naar het metaal van de lepel waarmee het roer.

-De hoeveelheid toegewezen of geabsorbeerde warmte hangt af van de massa van het lichaam in kwestie. Voeg dezelfde hoeveelheid calorieën of joules toe aan een monster met X -deeg, verhit niet aan een ander waarvan de massa 2x is.

Kan u van dienst zijn: elektromagnetische golven: Maxwell -theorie, typen, kenmerken

De reden? Er zijn meer deeltjes in het grootste monster, en elk zou gemiddeld slechts de helft van de energie ontvangen dan het kleinste monster.

Thermische balans en energiebesparing

De ervaring vertelt ons dat wanneer we twee objecten in verschillende temperatuur plaatsen, de temperatuur van beide dezelfde tijd zal zijn. Dan kan worden bevestigd dat objecten of systemen, zoals ze ook kunnen worden genoemd, in zijn thermisch evenwicht.

Aan de andere kant, reflecterend op hoe de interne energie van een geïsoleerd systeem te vergroten, wordt geconcludeerd dat er twee mogelijke mechanismen zijn:

i) Verwarm het, dat wil zeggen, de energie overbrengen van een ander systeem.

i) Doe een soort mechanisch werk aan hem.

Rekening houdend met dat energie behouden blijft:

Elke toename van de interne energie van het systeem is gelijk aan de hoeveelheid warmte die meer wordt toegevoegd, het werk dat erop wordt gedaan.

Binnen het kader van de thermodynamica is dit behoudsprincipe bekend Eerste wet van de thermodynamica. We zeggen dat het systeem moet worden geïsoleerd, anders moeten andere invoer- of energie -uitgangen in de balans worden overwogen.

Hoe wordt warmte gemeten?

Warmte wordt gemeten volgens het effect dat het produceert. Daarom is het het gevoel van aanraking dat snel informeert hoe warm of koud een drankje, een maaltijd of een object is. Omdat het geven of absorberen van warmte zich vertaalt in temperatuurveranderingen, heeft het meten van deze een idee van hoeveel warmte het is overgedragen.

Het instrument dat wordt gebruikt om de temperatuur te meten, is de thermometer, een apparaat voorzien van een afgestudeerde schaal om de lezing uit te voeren. De bekendste is de Mercury -thermometer, die bestaat uit een fijn kwikcapillair dat zich uitbreidt tijdens het verwarmen.

Een thermometer met afstuderen in Celsius en Fahrenheit -schalen. Bron: Pixabay.

Dan wordt het capillaire vol kwik in een glazen buis met een schaal ingebracht en legt het in contact met het lichaam waarvan de temperatuur moet worden gemeten totdat ze het thermische evenwicht bereiken en de temperatuur van beide is hetzelfde.

Wat is er nodig om een ​​thermometer te maken?

Om te beginnen is het noodzakelijk om wat thermometrische eigenschap te hebben, dat wil zeggen een die varieert met de temperatuur.

Bijvoorbeeld een gas of vloeistof zoals kwik, breidt uit bij het verwarmen, hoewel het ook elektrische weerstand dient, die warmte uitzendt wanneer ze worden gekruist door een stroom. Kortom, elke thermometrische eigenschap die gemakkelijk meetbaar is, kan worden gebruikt.

Als de temperatuur T is recht evenredig met thermometrische eigenschap X, Dan kun je schrijven:

t = kx

Waar k Het is de constante van evenredigheid die moet worden bepaald wanneer twee geschikte temperaturen worden ingesteld en de overeenkomstige waarden van X. Passende temperaturen betekent gemakkelijk te verkrijgen in het laboratorium.

Kan u van dienst zijn: schuine parabolische opname: kenmerken, formules, vergelijkingen, voorbeelden

Zodra er paren zijn vastgesteld (T₁, X₁) En (T₂, X₂)), Het interval tussen hen is verdeeld in gelijke delen, dit zullen de cijfers zijn.

Temperatuurschalen

De selectie van de benodigde temperaturen om een ​​temperatuurschaal te bouwen wordt gemaakt met het criterium dat ze gemakkelijk te verkrijgen zijn in het laboratorium. Een van de meest gebruikte schalen wereldwijd is de Celsius-schaal, gemaakt door de Zweedse wetenschapper Anders Celsius (1701-1744).

De 0 van de Celsius -schaal is de temperatuur waarbij ijs en vloeibaar water zich in evenwicht bevinden bij 1 drukatmosfeer, terwijl de bovenste stop wordt gekozen wanneer vloeibaar water en waterdamp even in evenwicht zijn en bij 1 atmosfeer van druk. Dit interval is verdeeld in 100 graden, die elk worden genoemd graad Celsius.

Dit is niet de enige manier om een ​​schaal te bouwen, veel minder. Er zijn andere verschillende schalen, zoals de Fahrenheit -schaal, waarin intervallen zijn gekozen met andere waarden. En er is de Kelvin -schaal, die slechts een lagere stop heeft: de absolute nul.

De absolute nul komt overeen met de temperatuur waarin elke beweging van deeltjes in een stof volledig ophoudt, hoewel het vrij dichtbij is geweest, is er nog geen stof gekoeld tot de absolute nul.

Voorbeelden

Alle ervaren dagelijks warmte, direct of indirect. Bijvoorbeeld wanneer een warm drankje wordt genomen, bij het ontvangen van de middagzon, het onderzoeken van de motortemperatuur van een auto, in een kamer vol mensen en in talloze meer situaties.

Op aarde is warmte nodig om de levensprocessen te behouden, zowel degene die uit de zon komt als degene die het interieur van de planeet verlaat.

Evenzo wordt het klimaat aangedreven door veranderingen in thermische energie die optreden in de atmosfeer. De hitte van de zon bereikt niet gelijk aan overal, equatoriale breedtegraden komen meer aan dan de polen, dus de heetste lucht van de tropen stijgt en beweegt noord- en zuiden, om thermisch evenwicht te bereiken dat eerder werd besproken.

Op deze manier worden luchtstromen vastgesteld met verschillende snelheden, die wolken en regen transporteren. Aan de andere kant veroorzaakt de abrupte botsing tussen warme en koude fronten fenomenen zoals stormen, tornado's en orkanen.

Aan de andere kant, op een dichter niveau, is warmte misschien niet zo welkom als een zonsondergang op het strand. Warmte veroorzaakt werkingsproblemen bij automotoren en computerprocessors.

Kan u van dienst zijn: Watt Law: wat is voorbeelden, aanvragen

Het zorgt er ook voor dat elektriciteit verloren gaat in rijkabels en materialen verwijden, dus warmtebehandeling is zo belangrijk in alle gebieden van engineering.

Opdrachten

- Oefening 1

Op het etiket van een snoep leest dat 275 calorieën bijdraagt. Hoeveel energie in joules is gelijk aan dit snoep?

Oplossing

In het begin was de calorieën genoemd als eenheid voor warmte. Voedingsmiddelen bevatten energie die meestal in deze eenheden wordt gemeten, maar calorieën eten zijn eigenlijk kilocalorieën.

De gelijkwaardigheid is als volgt: 1 kcal = 4186 J, en er wordt geconcludeerd dat de traktatie heeft:

275 kilocalorieën x 4186 Joule/kilocaloria = 1.15 10⁶ J.

- Oefening 2

100 g worden verwarmd tot een metaal tot 100 ° C en geplaatst in een calorimeter met 300 g water bij 20 ° C. De temperatuur verkregen door het systeem wanneer het in evenwicht komt, is 21.44 ° C. Er wordt gevraagd om de specifieke warmte van het metaal te bepalen, ervan uitgaande dat de calorimeter geen warmte absorbeert.

Oplossing

In deze situatie geeft het metaal warmte, die we Q zullen noemen_Bekledend En een teken (-) wordt geplaatst voordat het verlies aangeeft:

Q_Bekledend = m_metaal .EC_metaal. AT

Van zijn kant absorbeert het water van de calorimeter warmte, die zal worden aangeduid als geabsorbeerd:

Q_geabsorbeerd = m_water .EC _water . AT

De energie wordt bewaard, waaruit volgt dat:

Q_Bekledend = Q_geabsorbeerd

Uit de verklaring kunt u berekenen AT:

Metaal: Δt = t_laatste - T_voorletter= (21.44 - 100) ºC = -78.56 ºC = -78.56 K.

Water: Δt = t_laatste - T_voorletter= (21.44 - 20) ºC = 1.44 ºC = 1.44 K.

Belangrijk: 1 ºC is even groot als 1 Kelvin. Het verschil tussen beide schalen is dat de Kelvin -schaal absoluut is (Kelvin -cijfers zijn altijd positief).

De specifieke waterwarmte bij 20 ºC is 4186 J/kg. K en hiermee kunt u de geabsorbeerde warmte al berekenen:

Q_geabsorbeerd = m_water .EC _water . ΔT = 300 x 10^-3 kg . 4186 J/kg . K . 1.44 K = 1808.35 J.

Om te concluderen, wordt de specifieke metaalwarmte gewist:

EC _metaal = Q _geabsorbeerd /-M _metaal . ΔT _metaal  = 1808.35 J / -[(100 x 10^-3 kg. (-78.56 k)]] = 230.2 J/kg.K

Referenties

1. Bauer, W. 2011. Fysica voor engineering en wetenschappen. Deel 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, J.NAAR. FISCA II: competentiebenadering. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, l. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6^ta Afgekort editie. Cengage leren.
4. Ridder, r.  2017. Fysica voor wetenschappers en engineering: een strategiebenadering.  Pearson.
5. Tippens, p. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. McGraw Hill