VÄRME: FORMLER OCH ENHETER, EGENSKAPER, HUR MAN MÄTER DET, EXEMPEL - FYSISK - 2025

Den värme inom fysiken definieras som den termiska energin som överförs när de kontakt föremål eller ämnen som är vid olika temperaturer. Denna energiöverföring och alla processer som är relaterade till det är föremål för studier av termodynamik, en viktig fysikgren.

Värme är en av de många former som energi tar, och en av de mest kända. Så var kommer det ifrån? Svaret ligger i atomerna och molekylerna som utgör materien. Dessa partiklar i saker är inte statiska. Vi kan föreställa oss dem som små pärlor länkade med mjuka fjädrar, som kan krympa och sträcka med lätthet.

Atomer och molekyler vibrerar i ämnen, vilket översätts till inre energi. Källa: P. Tippens. Fysik: begrepp och tillämpningar.

På detta sätt kan partiklarna vibrera och deras energi kan lätt överföras till andra partiklar, och även från en kropp till en annan.

Mängden värme som en kropp tar upp eller släpper beror på ämnets art, dess massa och temperaturskillnaden. Det beräknas så här:

När Q är mängden värme som överförs, m är objektets massa, C _e är ämnets egen specifika värme och ΔT = _slutlig T - _initial T , det vill säga temperaturskillnaden.

Liksom alla former av energi mäts värme i joule, i det internationella systemet (SI). Andra lämpliga enheter är: ergs i cgs-systemet, Btu i det brittiska systemet och kalorin, en term som vanligtvis används för energiinnehållet i livsmedel.

Värmeegenskaper

Värmen från lägerelden överförs energi. Källa: Pixabay

Det finns flera viktiga begrepp att tänka på:

-Värme handlar om energi i transit. Föremål har inte värme, de släpper eller absorberar det bara beroende på omständigheterna. Det som föremål har är intern energi på grund av deras interna konfiguration.

Denna inre energi består i sin tur av kinetisk energi förknippad med vibrationsrörelse och potentiell energi, typisk för molekylkonfigurationen. Enligt denna konfiguration kommer ett ämne att överföra värme mer eller mindre lätt och detta återspeglas i dess specifika värme C _e , värdet som nämndes i ekvationen för att beräkna Q.

-Det andra viktiga konceptet är att värme alltid överförs från den hetaste kroppen till den kallaste. Erfarenheten indikerar att värmen från varmt kaffe alltid passerar mot porslinet på koppen och plattan, eller metallen i skeden som det rörs om, aldrig tvärtom.

-Mängden värme som överförs eller absorberas beror på kroppens massa. Att lägga till samma mängd kalorier eller joule i ett prov med X-massa värms inte på samma sätt som en annan vars massa är 2X.

Anledningen? Det finns fler partiklar i det större provet, och var och en skulle i genomsnitt endast få hälften av det mindre provets energi.

Termisk jämvikt och energibesparing

Erfarenheten säger att när vi sätter två föremål vid olika temperaturer i kontakt, efter en stund kommer båda temperaturen att vara densamma. Sedan kan det sägas att föremålen eller systemen, som de också kan kallas, är i termisk jämvikt.

Å andra sidan, med reflektion över hur man ökar den inre energin i ett isolerat system, dras slutsatsen att det finns två möjliga mekanismer:

i) Uppvärmning, det vill säga energiöverföring från ett annat system.

ii) Utför något slags mekaniskt arbete på det.

Med hänsyn till att energi sparas:

Inom ramen för termodynamik är denna konserveringsprincip känd som den första lagen för termodynamik. Vi säger att systemet måste isoleras, för annars skulle det vara nödvändigt att ta hänsyn till andra energiingångar eller -utgångar i balansen.

Hur mäts värme?

Värme mäts utifrån effekten den producerar. Därför är det känslan av beröring som snabbt informerar hur varm eller kall en drink, en mat eller något annat är. Eftersom överföring eller absorption av värme resulterar i temperaturförändringar ger mätning en uppfattning om hur mycket värme som har överförts.

Instrumentet som används för att mäta temperatur är termometern, en enhet utrustad med en graderad skala för att utföra avläsningen. Den mest kända är kvicksilvertermometern, som består av en fin kapillär kvicksilver som expanderar vid uppvärmning.

En termometer med examen i Celsius och Fahrenheit skalor. Källa: Pixabay.

Därefter sätts den kvicksilverfyllda kapillären in i ett glasrör med en skala och placeras i kontakt med kroppen, vars temperatur måste mätas tills de når termisk jämvikt och temperaturen hos båda är densamma.

Vad krävs för att göra en termometer?

Till att börja med måste du ha någon termometrisk egenskap, det vill säga en som varierar med temperaturen.

Till exempel expanderar en gas eller en vätska såsom kvicksilver när den värms upp, även om ett elektriskt motstånd också tjänar, som avger värme när en ström passerar genom den. Kort sagt kan alla termometriska egenskaper som är lätt mätbara användas.

Om temperaturen t är direkt proportionell mot den termometriska egenskapen X, kan den skrivas:

Där k är proportionalitetskonstanten som ska bestämmas när två lämpliga temperaturer ställs in och motsvarande X-värden mäts. Lämpliga temperaturer betyder lätt att få på laboratoriet.

När paren (t ₁ , X ₁ ) och (t ₂ , X ₂ ) har upprättats delas intervallet mellan dem i lika delar, dessa kommer att vara graderna.

Temperaturskalor

Valet av temperaturer som krävs för att konstruera en temperaturskala görs med det kriterium att de är lätta att få i laboratoriet. En av de mest använda skalorna runt om i världen är Celsius-skalan, skapad av den svenska forskaren Anders Celsius (1701-1744).

O på Celsius-skalan är temperaturen vid vilken is och flytande vatten är i jämvikt vid en tryckatmosfär, medan den övre gränsen väljs när flytande vatten och vattenånga är lika i jämvikt och vid en tryckatmosfär. Detta intervall är uppdelat i 100 grader, var och en kallas en grader Celsius.

Detta är inte det enda sättet att bygga en skala, långt ifrån den. Det finns andra olika skalor, till exempel Fahrenheit-skalan, där intervallerna har valts med andra värden. Och det finns Kelvin-skalan, som bara har en lägre gräns: absolut noll.

Absolut noll motsvarar temperaturen vid vilken all rörelse av partiklar i ett ämne upphör helt, men även om den har kommit ganska nära har den ännu inte kunnat kyla någon substans till absolut noll.

exempel

Alla upplever värme dagligen, antingen direkt eller indirekt. Till exempel när du har en varm drink i middagsolen, undersöker temperaturen på en bilmotor, i ett rum fullt av människor och i otaliga andra situationer.

På jorden är värme nödvändig för att upprätthålla livsprocesser, både det som kommer från solen och det som kommer från planetens inre.

Likaså drivs klimatet av förändringar i termisk energi som uppstår i atmosfären. Solens värme når inte överallt lika, på ekvatoriella breddegrader når den mer än vid polerna, så den hetaste luften i tropikerna stiger och rör sig norr och söder för att uppnå termisk balans det talades om tidigare.

På detta sätt upprättas luftströmmar med olika hastigheter som transporterar moln och regn. Å andra sidan orsakar den plötsliga kollisionen mellan heta och kalla luftfronter fenomen som stormar, tornadon och orkaner.

Däremot, på en närmare nivå, kanske värmen inte är så välkommen som en solnedgång på stranden. Värme orsakar driftsproblem i bilmotorer och datorprocessorer.

Det förorsakar också att elektrisk energi går förlorad i ledningskablar och material som expanderar, varför värmebehandlingen är så viktig inom alla tekniska områden.

övningar

- Övning 1

Etiketten på en godis läser att den ger 275 kalorier. Hur mycket energi i joule motsvarar den här godisen?

Lösning

I början hade kalorien nämnts som en värmeenhet. Mat innehåller energi som vanligtvis mäts i dessa enheter, men dietkalorier är faktiskt kilokalorier.

Ekvivalensen är följande: 1 kcal = 4186 J, och det dras slutsatsen att godisen har:

275 kilokalorier x 4186 joule / kilocalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Övning 2

100 g metall upphettas till 100 ° C och placeras i en kalorimeter med 300 g vatten vid 20 ° C. Temperaturen som systemet erhåller när det når jämvikt är 21,44 ° C. Du blir ombedd att bestämma metallens specifika värme, förutsatt att kalorimetern inte tar upp värme.

Lösning

I denna situation ger metallen upp värme, vilket vi kommer att kalla Q _givet och ett tecken (-) placeras före den för att indikera förlust:

För sin del absorberar vattnet i kalorimetern värme, vilket kommer att betecknas som Q-absorberat:

Energi bevaras, varifrån det följer att:

Från uttalandet kan du beräkna ΔT:

Viktigt: 1 ºC har samma storlek som 1 kelvin. Skillnaden mellan de två skalorna är att Kelvin-skalan är absolut (Kelvin-graderna är alltid positiva).

Den specifika vattenvärmen vid 20 ° C är 4186 J / kg. K och med detta kan den absorberade värmen beräknas:

Avslutningsvis rensas metallens specifika värme:

referenser

1. Bauer, W. 2011. Fysik för teknik och vetenskap. Volym 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approach by Competences. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: En titt på världen. 6 ^ta Redigering förkortad. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fysik för forskare och teknik: en strategi-strategi. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fysik: begrepp och tillämpningar. 7: e upplagan. Mcgraw Hill