SENSITIV VARME: KONSEPT, FORMLER OG LØSTE ØVELSER - FYSISK - 2026

Den fornuftige varmen er den termiske energien som tilføres et objekt ved at temperaturen stiger. Det er motsatt av latent varme, der termisk energi ikke øker temperaturen men fremmer en faseendring, for eksempel fra faststoff til væske.

Et eksempel tydeliggjør konseptet. Anta at vi har en gryte med vann ved romtemperatur på 20 ° C. Når vi plasserer den på komfyren, øker den tilførte varmen temperaturen på vannet sakte til det når 100 ° C (koketemperatur på vann ved havoverflaten). Den tilførte varmen kalles fornuftig varme.

Varmen som varmer hendene er fornuftig varme. Kilde: Pixabay

Når vannet når kokepunktet, hever ikke lenger varmen som leveres av brenneren temperaturen på vannet, som forblir ved 100 ° C. I dette tilfellet blir den tilførte termiske energien investert i å fordampe vannet. Den tilførte varmen ligger latent fordi den ikke økte temperaturen, men i stedet forårsaket en endring fra væskefasen til gassfasen.

Det er et eksperimentelt faktum at den fornuftige varmen som er nødvendig for å oppnå en viss variasjon i temperatur, er direkte proporsjonal med den variasjonen og gjenstandens masse.

Konsept og formler

Det har blitt observert at bortsett fra massen og temperaturforskjellen, er også fornuftig varme avhengig av materialet. Av denne grunn blir konstanten av proporsjonaliteten mellom fornuftig varme og produktet av masse og temperaturforskjell kalt spesifikk varme.

Mengden fornuftig tilført varme avhenger også av hvordan prosessen utføres. For eksempel er det annerledes hvis prosessen utføres med konstant volum enn ved konstant trykk.

Formelen for fornuftig varme i en isobarisk prosess, det vil si ved konstant trykk, er følgende:

Q = cp. m (T f - T i)

I den ovenstående ligning Q er den følbare varme tilført til gjenstand for massen m, noe som har ført til sin opprinnelige temperatur T _i til den endelige verdi Tf. I den forrige ligningen vises også cp, som er den spesifikke varmen til materialet ved konstant trykk fordi prosessen er utført på denne måten.

Legg også merke til at fornuftig varme er positiv når den tas opp av gjenstanden og forårsaker temperaturøkning.

I tilfelle varme tilføres en gass innelukket i en stiv beholder, vil prosessen være isokorisk, det vil si ved konstant volum; og den fornuftige varmeformelen blir skrevet slik:

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

Den adiabatiske koeffisienten γ

Kvotienten mellom den spesifikke varmen ved konstant trykk og den spesifikke varmen ved konstant volum for det samme materialet eller stoffet kalles adiabatisk koeffisient, som vanligvis betegnes med den greske bokstaven gamma γ.

Den adiabatiske koeffisienten er større enn enhet. Varmen som kreves for å heve temperaturen på et gram gram med en grad er større i en isobarisk prosess enn i en isokorisk.

Dette skyldes at i første tilfelle en del av varmen brukes til å utføre mekanisk arbeid.

I tillegg til spesifikk varme er varmekapasiteten til en kropp vanligvis også definert. Dette er den mengden varme som er nødvendig for å heve temperaturen på kroppen en grad av celsius.

Varmekapasitet C

Varmekapasitet er angitt med en kapital C, mens spesifikk varme med en liten c. Forholdet mellom begge mengder er:

C = c⋅ m

Hvor m er massen i kroppen.

Molar spesifikk varme brukes også, som er definert som mengden fornuftig varme som er nødvendig for å heve en temperatur på en mol substans med en grad Celsius eller Kelvin.

Spesifikk varme i faste stoffer, væsker og gasser

Den molære spesifikke varmen til de fleste faste stoffer har en verdi nær 3 ganger R, hvor R er den universelle gasskonstanten. R = 8,314472 J / (mol *).

For eksempel har aluminium molspesifikk varme 24,2 J / (mol ℃), kobber 24,5 J / (mol ℃), gull 25,4 J / (mol ℃) og mykt jern 25,1 J / (mol ℃). Merk at disse verdiene er nær 3R = 24,9 J / (mol ℃).

I motsetning til det er de molare spesifikke varme for de fleste gasser nær n (R / 2), hvor n er et helt tall og R er den universelle gasskonstanten. Heltallet n er relatert til antall frihetsgrader til molekylet som utgjør gassen.

For eksempel, i en monatomisk ideell gass, hvis molekyl bare har de tre translasjonsgrader av frihet, er den molære spesifikke varmen ved konstant volum 3 (R / 2). Men hvis det er en ideell diatomisk gass, er det i tillegg to rotasjonsgrader, så cv = 5 (R / 2).

I ideelle gasser holder følgende forhold mellom molspesifikk varme ved konstant trykk og konstant volum: cp = cv + R.

Vannet fortjener en spesiell omtale. I flytende tilstand ved 25 ℃ har vann cp = 4,1813 J / (g ℃), vanndamp ved 100 grader Celsius har cp = 2,080 J / (g ℃), og vannis på null grader Celsius har cp = 2.050 J / (g *).

Forskjell med latent varme

Materiale kan være i tre tilstander: faststoff, væske og gass. Det kreves energi for å endre tilstand, men hvert stoff reagerer på det på en annen måte i henhold til dets molekylære og atomare egenskaper.

Når et faststoff smelter eller en væske fordamper, forblir gjenstandens temperatur konstant til alle partiklene har endret tilstand.

Av denne grunn er det mulig at et stoff er i likevekt i to faser: for eksempel fast - væske eller væske - damp. En mengde av stoffet kan overføres fra en tilstand til en annen ved å tilsette eller fjerne litt varme, mens temperaturen forblir fast.

Varmen som tilføres et materiale får partiklene til å vibrere raskere og øke kinetisk energi. Dette betyr en temperaturøkning.

Det er mulig at energien de skaffer seg er så stor at de ikke lenger vender tilbake til likevektsposisjonen og skillet mellom dem øker. Når dette skjer øker ikke temperaturen, men stoffet går fra faststoff til væske eller fra væske til gass.

Varmen som kreves for at dette skal skje, kalles latent varme. Derfor er latent varme varmen som et stoff kan endre fase.

Her er forskjellen med fornuftig varme. Et stoff som tar opp fornuftig varme øker temperaturen og forblir i samme tilstand.

Hvordan beregne latent varme?

Latent varme beregnes av ligningen:

Hvor L kan være den spesifikke fordampingsvarmen eller smeltevarmen. Enhetene til L er energi / masse.

Forskere har gitt heten mange navn, avhengig av reaksjonstypen den deltar i. For eksempel er det reaksjonsvarmen, forbrenningsvarmen, størkningsvarmen, løsningsvarmen, sublimasjonsvarmen og mange andre.

Verdiene av mange av disse varmetypene for forskjellige stoffer er tabulert.

Løste øvelser

Eksempel 1

Anta at en som har et stykke aluminium på masse 3 kg. Opprinnelig er den ved 20 ° C, og du vil heve temperaturen til 100 ° C. Beregn den nødvendige varmen.

Løsning

Først må vi vite den spesifikke varmen til aluminium

cp = 0,897 J / (g ° C)

Da blir mengden varme som trengs for å varme opp aluminiumsstykket

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

Q = 215 280 J

Eksempel 2

Beregn mengden varme som er nødvendig for å varme opp 1 liter vann fra 25 ° C til 100 ° C ved havnivået. Uttrykk resultatet også i kilokalorier.

Løsning

Den første tingen å huske er at 1 liter vann veier 1 kg, det vil si 1000 gram.

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

Kalorien er en energienhet som er definert som den fornuftige varmen som er nødvendig for å øke et gram vann med en grad Celsius. Derfor er en kalori lik 4.1813 Joules.

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

Eksempel 3

Et stykke materiale på 360,16 gram blir varmet opp fra 37 ℃ til 140 ℃. Den termiske energien som leveres er 1150 kalorier.

Varme prøven. Kilde: self made.

Finn den spesifikke varmen til materialet.

Løsning

Vi kan skrive den spesifikke varmen som en funksjon av den fornuftige varmen, massen og variasjonen av temperaturen i henhold til formelen:

cp = Q / (m ΔT)

Ved å erstatte dataene har vi følgende:

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

Men siden en kalori tilsvarer 4.1813 J, kan resultatet også uttrykkes som

cp = 0,130 J / (g ℃)

referanser

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 ^th . Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6 ^ta Redigering forkortet. Cengage Learning. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Fysikk: begreper og applikasjoner. Syvende. Revidert utgave. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14 ^th . Volum1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.