VARME: FORMLER OG ENHETER, EGENSKAPER, HVORDAN DU MÅLER DET, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den varme i fysikk er definert som den termiske energien som overføres når de kontakt gjenstander eller stoffer som ved forskjellige temperaturer. Denne energioverføringen og alle prosessene knyttet til den, er gjenstand for studiet av termodynamikk, en viktig gren av fysikk.

Varme er en av de mange formene energien tar, og en av de mest kjente. Så hvor kommer det fra? Svaret ligger i atomene og molekylene som utgjør saken. Disse partiklene i tingene er ikke statiske. Vi kan forestille oss dem som små perler koblet sammen med myke fjærer, i stand til å krympe og tøye med letthet.

Atomer og molekyler vibrerer i stoffer, som oversettes til indre energi. Kilde: P. Tippens. Fysikk: begreper og applikasjoner.

På denne måten er partiklene i stand til å vibrere, og energien deres kan lett overføres til andre partikler, og også fra et legeme til et annet.

Mengden varme som en kropp tar opp eller frigjør avhenger av stoffets natur, dens masse og temperaturforskjellen. Det beregnes slik:

Hvor Q er mengden varme som overføres, m er gjenstandens masse, C _e er stoffets egen spesifikke varme og ΔT = _endelig T - _initial T , det vil si temperaturforskjellen.

Som alle former for energi, måles varme i joule, i det internasjonale systemet (SI). Andre passende enheter er: ergs i cgs-systemet, Btu i det britiske systemet, og kalorien, et begrep som vanligvis brukes om energiinnholdet i matvarer.

Varmeegenskaper

Varmen fra bål er overført energi. Kilde: Pixabay

Det er flere viktige konsepter du må huske på:

-Varme handler om energi i transitt. Gjenstander har ikke varme, de slipper eller absorberer den bare avhengig av omstendigheten. Det gjenstandene har er intern energi i kraft av sin interne konfigurasjon.

Denne interne energien er på sin side sammensatt av kinetisk energi assosiert med vibrasjonsbevegelse og potensiell energi, typisk for molekylkonfigurasjonen. I henhold til denne konfigurasjonen vil et stoff overføre varme mer eller mindre lett, og dette reflekteres i dets spesifikke varme C _e , verdien som ble nevnt i ligningen for å beregne Q.

-Det andre viktige konseptet er at varme alltid overføres fra den hotteste kroppen til den kaldeste. Erfaringen indikerer at varmen fra varm kaffe alltid går mot porselen på koppen og tallerkenen, eller metallet til skjeen den røres med, aldri omvendt.

-Mengden varme som overføres eller absorberes avhenger av massen på den aktuelle kroppen. Å legge samme mengde kalorier eller joules til en prøve med X-masse, varme ikke på samme måte som en annen hvis masse er 2X.

Grunnen? Det er flere partikler i den større prøven, og hver av dem vil i gjennomsnitt bare motta halvparten av energien til den mindre prøven.

Termisk likevekt og energibesparing

Erfaringen forteller oss at når vi setter to objekter ved forskjellige temperaturer i kontakt, etter en stund vil temperaturen til begge være den samme. Da kan det anføres at objektene eller systemene, som de også kan kalles, er i termisk likevekt.

På den annen side, med refleksjon over hvordan man kan øke den indre energien i et isolert system, konkluderes det med at det er to mulige mekanismer:

i) Varme opp, det vil si overføre energi fra et annet system.

ii) Utfør et slags mekanisk arbeid med det.

Når man tar hensyn til at energi er bevart:

I termodynamikkens rammer er dette konserveringsprinsippet kjent som den første loven for termodynamikk. Vi sier at systemet må isoleres, for ellers ville det være nødvendig å vurdere andre energiinnganger eller -utganger i balansen.

Hvordan måles varme?

Varme måles i henhold til effekten den gir. Derfor er det følelsen av berøring som raskt informerer hvor varm eller kald en drink, en mat eller en hvilken som helst gjenstand er. Siden overføring eller opptak av varme resulterer i temperaturendringer, gir måling av dette en ide om hvor mye varme som er overført.

Instrumentet som brukes til å måle temperatur er termometeret, en enhet utstyrt med en gradert skala for å gjennomføre avlesningen. Det mest kjente er kvikksølvtermometeret, som består av en fin kapillær av kvikksølv som utvides når den varmes opp.

Et termometer med eksamen i Celsius og Fahrenheit skalaer. Kilde: Pixabay.

Deretter føres det kvikksølvfylte kapillæret inn i et glassrør med en skala og plasseres i kontakt med kroppen, hvis temperatur må måles til de når termisk likevekt og temperaturen til begge deler er den samme.

Hva kreves for å lage et termometer?

Til å begynne med må du ha noen termometriske egenskaper, det vil si en som varierer med temperaturen.

For eksempel ekspanderer en gass eller en væske som kvikksølv når den blir oppvarmet, selv om det også tjener en elektrisk motstand, som avgir varme når en strøm går gjennom den. Kort sagt, alle termometriske egenskaper som er lett målbare kan brukes.

Hvis temperaturen t er direkte proporsjonal med den termometriske egenskapen X, kan den skrives:

Hvor k er proporsjonalitetskonstanten som skal bestemmes når to passende temperaturer stilles inn og de tilsvarende verdiene av X måles. Passende temperaturer betyr lett å få tak i laboratoriet.

Når parene (t ₁ , X ₁ ) og (t ₂ , X ₂ ) er etablert, blir intervallet mellom dem delt i like deler, dette vil være gradene.

Temperaturskalaer

Valg av temperaturer som er nødvendige for å konstruere en temperaturskala gjøres med det kriteriet at de er enkle å få til i laboratoriet. En av de mest brukte skalaene i hele verden er Celsius-skalaen, skapt av den svenske forskeren Anders Celsius (1701-1744).

0 på Celsius-skalaen er temperaturen der is og flytende vann er i likevekt ved 1 trykkatmosfære, mens den øvre grensen velges når flytende vann og vanndamp er like i likevekt og ved en trykkatmosfære. Dette intervallet er delt inn i 100 grader, som hver kalles en grad Celsius.

Dette er ikke den eneste måten å bygge en skala på, langt fra den. Det er andre forskjellige skalaer, for eksempel Fahrenheit-skalaen, der intervallene er valgt med andre verdier. Og det er Kelvin-skalaen, som bare har en nedre grense: absolutt null.

Absolutt null tilsvarer temperaturen der all bevegelse av partikler i et stoff opphører fullstendig, men selv om det har kommet ganske nær, har det ennå ikke vært i stand til å avkjøle noe stoff til absolutt null.

eksempler

Alle opplever varme på daglig basis, enten direkte eller indirekte. For eksempel når du tar en varm drink i middagsolen, undersøker temperaturen på en bilmotor, i et rom fullt av mennesker og i utallige andre situasjoner.

På jorden er varme nødvendig for å opprettholde livsprosesser, både det som kommer fra solen og det som kommer fra det indre av planeten.

På samme måte er klimaet drevet av endringer i termisk energi som oppstår i atmosfæren. Solens varme når ikke overalt likt, på ekvatoriale breddegrader når den mer enn ved polene, så den varmeste luften i tropene stiger og beveger seg nord og sør for å oppnå termisk balanse det ble snakket om før.

På denne måten etableres luftstrømmer i forskjellige hastigheter, som transporterer skyer og regn. På den annen side forårsaker den plutselige kollisjonen mellom varme og kalde luftfronter fenomener som stormer, tornadoer og orkaner.

Derimot, på et nærmere nivå, er varmen kanskje ikke så velkommen som en solnedgang på stranden. Varme forårsaker driftsproblemer i bilmotorer og datamaskinprosessorer.

Det fører også til at elektrisk energi går tapt i ledningskabler og materialer for å ekspandere, og det er grunnen til at varmebehandling er så viktig på alle prosjekter.

Øvelser

- Oppgave 1

Etiketten til et godteri lyder at det gir 275 kalorier. Hvor mye energi i joules tilsvarer dette godteriet?

Løsning

I begynnelsen hadde kalorien blitt nevnt som en enhet for varme. Mat inneholder energi som vanligvis måles i disse enhetene, men kalorier i kosten er faktisk kilokalorier.

Ekvivalensen er følgende: 1 kcal = 4186 J, og det konkluderes med at godteriet har:

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

- Oppgave 2

100 g av et metall varmes opp til 100 ° C og plasseres i et kalorimeter med 300 g vann ved 20 ° C. Temperaturen som systemet oppnår når det når likevekt, er 21,44 ° C. Du blir bedt om å bestemme den spesifikke varmen til metallet, forutsatt at kalorimeteret ikke tar opp varme.

Løsning

I denne situasjonen gir metallet opp varmen, som vi vil kalle Q _gitt og et skilt (-) blir plassert foran det for å indikere tap:

På sin side absorberer vannet i kalorimeteret varme, som vil bli betegnet som Q-absorbert:

Energi er bevart, hvorfra det følger at:

Fra utsagnet kan du beregne ΔT:

Viktig: 1 ºC er i samme størrelse som 1 kelvin. Forskjellen mellom de to skalaene er at Kelvin-skalaen er absolutt (Kelvin-grader er alltid positive).

Den spesifikke varmen til vann ved 20 ºC er 4186 J / kg. K og med denne kan den absorberte varmen beregnes:

For å konkludere, blir den spesifikke varmen til metallet fjernet:

referanser

1. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørvitenskap og vitenskap. Bind 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approach by Competences. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6 ^ta Redigering forkortet. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fysikk: begreper og applikasjoner. 7. utgave. Mcgraw-bakken