KÄNSLIG VÄRME: KONCEPT, FORMLER OCH LÖSTA ÖVNINGAR - FYSISK - 2025

Den känsliga värmen är den termiska energin som tillförs ett objekt genom att temperaturen stiger. Det är motsatsen till latent värme, i vilken den termiska energin inte ökar temperaturen utan främjar en fasändring, till exempel från fast till vätska.

Ett exempel klargör konceptet. Anta att vi har en kruka med vatten vid rumstemperatur 20 ° C. När vi placerar den på kaminen ökar den tillförda värmen temperaturen på vattnet långsamt tills det når 100 ° C (koktemperatur för vatten vid havsnivån). Den levererade värmen kallas förnuftig värme.

Värmen som värmer händerna är förnuftig värme. Källa: Pixabay

När vattnet når kokpunkten höjer inte längre värmen från brännaren vattentemperaturen, som förblir vid 100 ° C. I detta fall investeras den tillförda värmeenergin i förångningen av vattnet. Den levererade värmen är latent eftersom den inte höjde temperaturen utan orsakade istället en övergång från vätskefasen till gasfasen.

Det är ett experimentellt faktum att det förnuftiga värme som krävs för att uppnå en viss variation i temperaturen är direkt proportionell mot den variationen och objektets massa.

Koncept och formler

Det har observerats att bortsett från massan och temperaturskillnaden beror på förnuftig värme också på materialet. Av denna anledning kallas konstanta proportionalitet mellan förnuftigt värme och produkten med massa och temperaturskillnad specifik värme.

Mängden tillförd värme som tillförs beror också på hur processen genomförs. Till exempel är det annorlunda om processen utförs med konstant volym än vid konstant tryck.

Formeln för förnuftig värme i en isobarisk process, det vill säga vid konstant tryck, är följande:

Q = cp. m (Tf - T i)

I ovanstående ekvation Q är den kännbara värme som tillförs objektet med massan m, som har höjt sitt initiala temperaturen T _i till det slutliga värdet Tf. I den föregående ekvationen visas också cp, vilket är materialets specifika värme vid konstant tryck eftersom processen har utförts på detta sätt.

Observera också att det förnuftiga värmet är positivt när det absorberas av föremålet och orsakar en temperaturökning.

I det fall värme tillförs en gas innesluten i en styv behållare kommer processen att vara isokorisk, det vill säga med konstant volym; och den förnuftiga värmeformeln kommer att skrivas så här:

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

Den adiabatiska koefficienten y

Kvoten mellan den specifika värmen vid konstant tryck och den specifika värmen vid konstant volym för samma material eller ämne kallas den adiabatiska koefficienten, som vanligtvis betecknas med den grekiska bokstaven gamma γ.

Den adiabatiska koefficienten är större än enhet. Värmen som krävs för att höja temperaturen på en gram kropp med en grad är större i en isobarisk process än i en isokorisk.

Detta beror på att i första fallet en del av värmen används för att utföra mekaniskt arbete.

Förutom specifik värme definieras också en kropps värmekapacitet. Detta är den mängd värme som krävs för att höja temperaturen på kroppen en grad av celsius.

Värmekapacitet C

Värmekapacitet betecknas med ett kapital C, medan specifik värme med en liten c. Förhållandet mellan båda kvantiteterna är:

C = c ^ m

Där m är kroppens massa.

Molärt specifikt värme används också, vilket definieras som den mängd förnuftigt värme som är nödvändigt för att höja en temperatur på en mol ämne med en grad Celsius eller Kelvin.

Speciell värme i fasta ämnen, vätskor och gaser

Det molära specifika värmet hos de flesta fasta ämnen har ett värde nära 3 gånger R, där R är den universella gaskonstanten. R = 8.314472 J / (mol *).

Till exempel har aluminium molär specifik värme 24,2 J / (mol ℃), koppar 24,5 J / (mol ℃), guld 25,4 J / (mol ℃) och mjukt järn 25,1 J / (mol ℃). Observera att dessa värden ligger nära 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Däremot är den molära specifika värmen för de flesta gaser nära n (R / 2), där n är ett heltal och R är den universella gaskonstanten. Heltalet n är relaterat till antalet frihetsgrader hos molekylen som utgör gasen.

Till exempel, i en monatom ideell gas, vars molekyl endast har de tre translationella graderna av frihet, är den molära specifika värmen vid konstant volym 3 (R / 2). Men om det är en idealisk diatomisk gas finns det dessutom två rotationsgrader, så cv = 5 (R / 2).

I ideala gaser är följande förhållande mellan molärt specifikt värme vid konstant tryck och konstant volym: cp = cv + R.

Vattnet förtjänar ett särskilt omnämnande. I flytande tillstånd vid 25 ℃ har vatten cp = 4,1813 J / (g ℃), vattenånga vid 100 grader Celsius har cp = 2,080 J / (g ℃) och vattenis vid noll grader Celsius har cp = 2,050 J / (g *).

Skillnad med latent värme

Ämnet kan vara i tre tillstånd: fast, flytande och gas. Energi krävs för att ändra tillstånd, men varje substans svarar på det på ett annat sätt beroende på dess molekylära och atomära egenskaper.

När ett fast ämne smälter eller en vätska förångas förblir föremålets temperatur konstant tills alla partiklar har ändrat tillstånd.

Av detta skäl är det möjligt att ett ämne är i jämvikt i två faser: till exempel fast - vätska eller vätska - ånga. En mängd av ämnet kan överföras från ett tillstånd till ett annat genom att tillsätta eller ta bort lite värme, medan temperaturen förblir fast.

Den värme som tillförs ett material får dess partiklar att vibrera snabbare och ökar deras kinetiska energi. Detta innebär en temperaturökning.

Det är möjligt att energin de förvärvar är så stor att de inte längre återgår till sin jämviktsposition och separationen mellan dem ökar. När detta händer ökar inte temperaturen, men ämnet går från fast till vätska eller från vätska till gas.

Den värme som krävs för att detta ska ske kallas latent värme. Därför är latent värme värmen som ett ämne kan ändra fas.

Här är skillnaden med förnuftig värme. Ett ämne som absorberar förnuftigt värme ökar temperaturen och förblir i samma tillstånd.

Hur beräknar jag latent värme?

Latent värme beräknas med ekvationen:

Där L kan vara det specifika förångningsvärmen eller smältvärmen. Enheterna i L är energi / massa.

Forskare har gett värme flera namn, beroende på vilken typ av reaktion den deltar i. Till exempel finns reaktionsvärmen, förbränningsvärmen, stelningsvärme, lösningsvärme, sublimeringsvärme och många andra.

Värdena för många av dessa värmetyper för olika ämnen är tabellerade.

Lösta övningar

Exempel 1

Anta att en som har en bit aluminium med massa 3 kg. Ursprungligen är det vid 20 ° C och du vill höja temperaturen till 100 ° C. Beräkna den förnuftiga värmen som krävs.

Lösning

Först måste vi känna till den specifika aluminiumvärmen

cp = 0,897 J / (g ° C)

Då blir mängden värme som behövs för att värma aluminiumstycket

Q = cpm (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215 280 J

Exempel 2

Beräkna mängden värme som behövs för att värma 1 liter vatten från 25 ° C till 100 ° C vid havsnivån. Uttryck resultatet också i kilokalorier.

Lösning

Det första att komma ihåg är att 1 liter vatten väger 1 kg, det vill säga 1000 gram.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ') * 1000 g * (100' - 25 ') = 313597,5 J

Kalorin är en energienhet som definieras som den förnuftiga värmen som krävs för att höja ett gram vatten med en grad Celsius. Därför är 1 kalori lika med 4.1813 Joules.

Q = 313597,5 J * (1 kal / 4,1813 J) = 75000 kal = 75 kcal.

Exempel 3

Ett material av 360,16 gram värms upp från 37 ℃ till 140 ℃. Den levererade värmeenergin är 1150 kalorier.

Uppvärmning av provet. Källa: självgjord.

Hitta materialets specifika värme.

Lösning

Vi kan skriva den specifika värmen som en funktion av det förnuftiga värmet, massan och temperaturvariationen enligt formeln:

cp = Q / (mTT)

Att ersätta uppgifterna har vi följande:

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

Men eftersom en kalori är lika med 4.1813 J kan resultatet också uttryckas som

cp = 0,130 J / (g ')

referenser

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 ^{: e} . Ed Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: En titt på världen. 6 ^ta Redigering förkortad. Cengage Learning. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Fysik: begrepp och tillämpningar. 7:e. Reviderad upplaga. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med modern fysik. 14 ^{: e} . Volym 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.