Gevoelig warmteconcept, formules en oefeningen opgelost

Hij Gevoelige warmte Het is de thermische energie die wordt geleverd aan een object waardoor de temperatuur stijgt. Het is het tegenovergestelde van latente warmte, waarbij thermische energie de temperatuur niet verhoogt maar een faseverandering bevordert, bijvoorbeeld van vast tot vloeistof.

Een voorbeeld verduidelijkt het concept. Stel dat we een pot hebben met watertemperatuur van 20 ° C. Wanneer we het in de hoorn plaatsen, verhoogt de geleverde warmte de temperatuur van het water langzaam tot 100 ° C (kooktemperatuur van het water op zeeniveau). De geleverde warmte wordt gevoelige warmte genoemd.

De hitte die je handen verwarmt, is gevoelige warmte. Bron: Pixabay

Zodra het water de kooktemperatuur bereikt, verhoogt de door de Hornilla geleverde warmte niet langer de watertemperatuur, die blijft bij 100 ° C.  In dit geval wordt de geleverde thermische energie geïnvesteerd in verdampend water. De geleverde warmte is latent omdat het de temperatuur niet verhoogde, maar een verandering van de vloeibare fase in de gasfase veroorzaakte.

Het is een experimenteel feit dat de gevoelige warmte die nodig is om een ​​bepaalde temperatuurvariatie te bereiken, recht evenredig is met die variatie en de massa van het object.

[TOC]

Concept en formules

Er is waargenomen dat gevoelige warmte, afgezien van massa- en temperatuurverschil, ook afhangt van het materiaal. Om deze reden wordt de evenredigheidsconstante tussen de gevoelige warmte en het product van de massa door het temperatuurverschil de specifieke warmte genoemd.

De hoeveelheid gevoelige warmte die wordt geleverd, hangt ook af van hoe het proces wordt uitgevoerd. Het is bijvoorbeeld anders als het proces wordt uitgevoerd bij een constant volume dan constante druk.

De formule voor gevoelige warmte in een proces isobarisch, dat wil zeggen constante druk, het is als volgt:

Q = CP . M (TF - TJe))

In de vorige vergelijking Q Het is de gevoelige warmte die wordt geleverd aan het massaobject M, dat heeft zijn begintemperatuur verhoogd T_Je Tot de uiteindelijke waarde TF. In de vorige vergelijking verschijnt het ook CP, dat is de specifieke warmte van het materiaal bij constante druk omdat het proces op deze manier is uitgevoerd.

Merk op dat gevoelige warmte positief is wanneer het wordt geabsorbeerd door het object en een temperatuurstijging veroorzaakt.

In het geval dat een in een rigide container wordt geleverd, zal het proces zijn isocorisch, dat wil zeggen, bij constant volume; En de gevoelige warmteformule zal als volgt worden geschreven:

Kan u van dienst zijn: golvende beweging: kenmerken, soorten golven, voorbeelden

Q = Cv. M . (TF - TJe))

De adiabatische coëfficiënt γ

De verhouding tussen de specifieke warmte bij constante druk en de specifieke warmte op constant volume voor hetzelfde materiaal of substantie wordt genoemd Adiabatische coëfficiënt, die in het algemeen wordt aangeduid met de gamma -gamma γ -brief.

Hij Adiabatische coëfficiënt is groter dan de eenheid. De warmte die nodig is om de temperatuur van een lichaam van een gram massa tot een cijfer te verhogen, is groter in een isobarisch proces dan in een isocorisch.

Dit komt omdat in het eerste geval een deel van de warmte wordt gebruikt om mechanisch werk te doen.

Naast de specifieke warmte wordt de warmtecapaciteit van een lichaam meestal gedefinieerd. Dit is de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van dat lichaam een ​​diploma Celsius te verhogen.

Warmtecapaciteit c

Warmtecapaciteit wordt aangeduid met C hoofdletters, terwijl de specifieke warmte met C kleine letters. De relatie tussen beide bedragen is:

C = C⋅ M

Waar M Het is de massa van het lichaam.

Molaire specifieke warmte wordt ook gebruikt, die wordt gedefinieerd als de hoeveelheid gevoelige warmte die nodig is om te verhogen tot een Celsius- of Kelvin -temperatuur.

Specifieke warmte in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen

De specifieke molaire warmte van de meeste vaste stoffen heeft een waarde in de buurt 3 keer R, waar R Het is de universele constante van gassen. R = 8.314472 J/(mol ℃ ℃ ℃).

Aluminium heeft bijvoorbeeld specifieke molaire warmte 24.2 J/(mol ℃), Koper 24.5 J/(mol ℃), goud 25.4 J/(mol ℃), en zoete ijzer 25.1 J/(mol ℃). Merk op dat deze waarden dichtbij zijn 3R = 24.9 J/(mol ℃ ℃).

Aan de andere kant is de specifieke warmte voor de meeste gassen dichtbij N (r/2), waar is N een geheel getal en R Het is de universele constante van gassen. Het geheel getal N is gerelateerd aan het aantal vrijheidsgraden van het molecuul dat het gas vormt.

Bijvoorbeeld, in een ideaal monoatomisch gas, waarvan het molecuul alleen de drie vrijheidsgraden heeft, is de specifieke molaire warmte tot constant volume 3 (r/2). Maar als het een ideaal diatomee -gas is, zijn er ook twee rotatiegraden, dus Cv = 5 (r/2).

Kan u van dienst zijn: hal

In de ideale gassen wordt de volgende relatie tussen de specifieke warmte -molaire warmte en het constante volume vervuld: CP = cv + R.

Side Mention verdient water. In vloeibare toestand bij 25 ℃ water heeft CP = 4.1813 J/(G ℃), Waterdamp bij 100 graden Celsius heeft CP = 2.080 J/(G ℃) En waterijs tot nul -graad Celsius heeft CP = 2.050 J/(G ℃).

Verschil met latente warmte

Materie is te vinden in drie staten: vaste, vloeistof en gasvormige. Om de staat te veranderen, is energie vereist, maar elke stof reageert erop op een andere manier volgens zijn moleculaire en atomaire kenmerken.

Wanneer een vaste stof smelt of een vloeistof verdampt, blijft de temperatuur van het object constant totdat alle deeltjes de status hebben veranderd.

Daarom is het mogelijk dat één stof tegelijkertijd in evenwicht is in twee fasen: vaste vloeistof of vloeistofstoom, bijvoorbeeld. Een hoeveelheid van de stof kan van de ene toestand naar de andere overgaan door een beetje warmte toe te voegen of te verwijderen, terwijl de temperatuur vasthoudt.

De warmte die aan een materiaal wordt geleverd, zorgt ervoor dat zijn deeltjes sneller trillen en zijn kinetische energie verhogen. Dit vertaalt zich in een temperatuurstijging.

Het is mogelijk dat de energie die ze verwerven zo groot is dat ze niet langer terugkeren naar hun evenwichtspositie en de scheiding tussen hen vergroten. Wanneer dit gebeurt, neemt de temperatuur niet toe, maar de stof gaat van vast tot vloeistof of gasvloeistof.

In de hitte die nodig is om dit te laten gebeuren, staat het bekend als latente warmte. Daarom is latente warmte van warmte waardoor een stof van fase kan veranderen.

Hier is het verschil met gevoelige warmte. Een stof die gevoelige warmte absorbeert, verhoogt de temperatuur en blijft in dezelfde toestand.

Hoe latente warmte berekenen?

De latente warmte wordt berekend door vergelijking:

Q = m . L

Waar L Het kan de specifieke verdampingswarmte of fusie zijn. De eenheden van L Ze zijn energie/massa.

Wetenschappers hebben talloze warmte -denominaties gegeven, afhankelijk van het type reactie waaraan hij deelneemt. Er is dus bijvoorbeeld de reactiewarmte, de verbrandwarmte, de warmte van stolling, de warmte van oplossing, de warmte van sublimatie en vele anderen.

Kan u van dienst zijn: kinetische energie: kenmerken, typen, voorbeelden, oefeningen

De waarden van veel van deze warmtetypen voor verschillende stoffen zijn getabeld.

Opgeloste oefeningen

voorbeeld 1

Neem aan dat een van 3 kg massalaluminium heeft. Aanvankelijk is het op 20 ° C en u wilt de temperatuur tot 100 ° C verhogen. Bereken de noodzakelijke gevoelige warmte.

Oplossing

Eerst moeten we de specifieke hitte van aluminium weten

CP = 0.897 J / (G ° C)

Dus de hoeveelheid warmte die nodig is om het stuk aluminium te verwarmen, zal zijn

Q = CP M (tf - ti) = 0.897 * 3000 * (100 - 20) j

Q = 215280 J

Voorbeeld 2

Bereken de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 liter water te verwarmen van 25 ° C tot 100 ° C op zeeniveau. Druk het resultaat ook uit in kilocalorieën.

Oplossing

Het eerste wat we moeten onthouden is dat 1 liter water 1 kg weegt, dat is 1000 gram.

Q = CP M (tf - ti) = 4.1813 j/(g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597.5 J

Caloria is een energie -eenheid die wordt gedefinieerd als de gevoelige warmte die nodig is om een ​​gram water naar een Celsius te verhogen. Daarom is 1 calorieën gelijk aan 4.1813 joules.

Q = 313597.5 j * (1 cal / 4.1813 j) = 75000 limoen = 75 kcal.

Voorbeeld 3

Een stuk van 360,16 gram materiaal wordt verwarmd van 37 ℃ tot 140 ℃. De geleverde thermische energie is 1150 calorieën.

Het monster verwarmen. Bron: zelf gemaakt.

Vind de specifieke warmte van het materiaal.

Oplossing

We kunnen de specifieke warmte schrijven op basis van gevoelige warmte-, massa- en temperatuurvariatie volgens de formule:

CP = Q /(m Δt)  

De gegevens vervangen die we het volgende hebben:

CP = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0.0310 cal / (g ℃)

Maar omdat een calorie gelijk is aan 4.1813 J, kan het resultaat ook worden uitgedrukt als

CP = 0,130 J / (G ℃)

Referenties

1. Giancoli, D.  2006. Fysica: principes met toepassingen. 6^e. ED. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, l. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6^ta Afgekort editie. Cengage leren. 156 - 164.
3. Tippens, p. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e. Herziene editie. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, a. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309 - 332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14^e. Volume1. 556 - 553.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fundamentals of Physics. 9^NA Cengage leren. 362 - 374.