TERMISK LIKEVEKT: LIGNINGER, APPLIKASJONER, ØVELSER - FYSISK - 2026

Den termiske likevekten til to legemer som er i termisk kontakt, er tilstanden som oppnås etter lang nok tid til at temperaturene til begge kroppene utjevnes.

I termodynamikk forstås termisk kontakt mellom to legemer (eller to termodynamiske systemer) som en situasjon der kroppene har mekanisk kontakt eller er atskilt, men i kontakt med en overflate som bare tillater overføring av varme fra det ene legemet til det andre (diatermisk overflate ).

Figur 1. Etter en stund vil isen og drikken nå sin termiske likevekt. Kilde: pixabay

Ved termisk kontakt skal det ikke være noen kjemisk reaksjon mellom systemene i kontakt. Det skal bare være varmeveksling.

Hverdagssituasjoner der det er varmeveksling, oppstår med systemer som kald drikke og glasset, den varme kaffen og teskjeen, eller kroppen og termometeret, blant mange andre eksempler.

Når to eller flere systemer er i termisk likevekt?

Den andre loven om termodynamikk sier at varme alltid går fra kroppen med den høyeste temperaturen til kroppen med den laveste temperaturen. Varmeoverføring opphører så snart temperaturene utjevnes og tilstanden for termisk likevekt er nådd.

Den praktiske anvendelsen av termisk balanse er termometeret. Et termometer er et apparat som måler sin egen temperatur, men takket være den termiske balansen kan vi kjenne temperaturen til andre kropper, for eksempel den til en person eller et dyr.

Kvikksølvssøyltermometeret plasseres i termisk kontakt med kroppen, for eksempel under tungen, og det ventes nok tid på at den termiske likevekten mellom kroppen og termometeret skal nås, og at dens lesning ikke varierer ytterligere.

Når dette punktet er nådd, er termometerets temperatur den samme som kroppen.

Termodynamikkens nulllov sier at hvis et legeme A er i termisk likevekt med et legeme C og at det samme legemet C er i termisk likevekt med B, så er A og B i termisk likevekt, selv når det ikke er noen termisk kontakt mellom A og B .

Derfor konkluderer vi at to eller flere systemer er i termisk likevekt når de har samme temperatur.

Termiske likevektsligninger

Vi antar et legeme A med begynnelsestemperatur Ta i termisk kontakt med et annet legeme B med starttemperatur Tb. Vi antar også at Ta> Tb, så i henhold til den andre loven overføres varmen fra A til B.

Etter en stund vil termisk likevekt oppnås og begge kroppene har samme sluttemperatur Tf. Dette vil ha en mellomverdi ved Ta og Tb, det vil si Ta> Tf> Tb.

Mengden varme Qa overført fra A til B vil være Qa = Ma Ca (Tf - Ta), der Ma er massen til kropp A, Ca varmekapasiteten per enhetsmasse A og (Tf - Ta) temperaturforskjellen . Hvis Tf er mindre enn Ta, er Qa negativ, noe som indikerer at kroppen A gir opp varmen.

Tilsvarende for kropp B har vi den Qb = Mb Cb (Tf - Tb); og hvis Tf er større enn Tb, er Qb positiv, noe som indikerer at kroppen B mottar varme. Siden kropp A og kropp B er i termisk kontakt med hverandre, men isolert fra omgivelsene, må den totale varmeutvekslingen være null: Qa + Qb = 0

Deretter Ma Ca (Tf - Ta) + Mb Cb (Tf - Tb) = 0

Likevektstemperatur

Ved å utvikle dette uttrykket og løse for temperaturen Tf, oppnås den endelige temperaturen på termisk likevekt.

Figur 2. Endelig likevektstemperatur. Kilde: self made

Tf = (Ma Ca Ta + Mb Cb Tb) / (Ma Ca + Mb Cb).

Som et spesielt tilfelle, vurder tilfellet at kroppene A og B er identiske i masse og varmekapasitet, i dette tilfellet vil likevektstemperaturen være:

Tf = (Ta + Tb) / 2 ↔ hvis Ma = Mb og Ca = Cb.

Termisk kontakt med faseendring

I noen situasjoner hender det at når to legemer plasseres i termisk kontakt, forårsaker varmevekslingen en endring av tilstand eller fase i en av dem. Hvis dette skjer, må det tas med i betraktningen at det under faseendringen ikke er noen temperaturendring i kroppen som endrer tilstanden.

Hvis faseendringen til noen av kroppene i termisk kontakt skjer, blir begrepet latent varme L brukt, som er energien per masseenhet som er nødvendig for tilstandendringen:

Q = L ∙ M

For å smelte 1 kg is ved 0 ° C kreves det for eksempel 333,5 kJ / kg, og denne verdien er den latente varmen L for smelting av is.

Under smelting skifter det fra fast vann til flytende vann, men det vannet holder samme temperatur som is under smelteprosessen.

applikasjoner

Termisk balanse er en del av hverdagen. La oss for eksempel undersøke denne situasjonen i detalj:

-Øvelse 1

En person vil bade i varmt vann ved 25 ° C. I en bøtte, sett 3 liter kaldt vann ved 15 ° C og på kjøkkenet varme opp vann til 95 ° C.

Hvor mange liter varmt vann må han legge til i bøtta med kaldt vann for å ha ønsket sluttemperatur?

Løsning

Anta at A er kaldt vann og B er varmt vann:

Figur 3. Løsning på øvelse 3. Kilde: egen utdyping.

Vi foreslår ligningen for termisk likevekt, som indikert på tavlen i figur 3 og derfra løser vi for massen av vann Mb.

Vi kan få den første massen av kaldt vann fordi tettheten til vannet er kjent, som er 1 kg for hver liter. Det vil si at vi har 3 kg kaldt vann.

Ma = 3 kg

Så

Mb = - 3 kg * (25 ° C - 15 ° C) / (25 ° C - 95 ° C) = 0,43 kg

Da er 0,43 liter varmt vann nok til å til slutt få 3,43 liter varmt vann ved 25 ° C.

Løste øvelser

-Øvelse 2

Et stykke metall med en masse på 150 g og en temperatur på 95 ° C føres inn i en beholder som inneholder en halv liter vann ved en temperatur på 18 ° C. Etter en stund oppnås termisk likevekt og temperaturen på vannet og metallet er 25 ° C.

Anta at beholderen med vannet og metallstykket er en lukket termos som ikke tillater varmeveksling med miljøet.

Få den spesifikke varmen til metallet.

Løsning

Først skal vi beregne varmen som absorberes av vannet:

Qa = Ma Ca (Tf - Ta)

Qa = 500 g 1cal / (g ° C) (25 ° C - 18 ° C) = 3500 kalorier.

Det er den samme varmen gitt av metallet:

Qm = 150g Cm (25 ° C - 95 ° C) = -3500 kalorier.

Så vi kan få varmekapasiteten til metallet:

Cm = 3500 cal / (150g 70 ° C) = ⅓ cal / (g ° C).

Oppgave 3

Du har 250 cm vann ved 30 ° C. Til det vannet som er i en isolerende termos, tilsettes 25 g isbiter ved 0 ° C, med det formål å avkjøle det.

Bestem likevektstemperaturen; det vil si temperaturen som vil forbli når all isen har smeltet og isvannet har oppvarmet til lik den i vannet i glasset.

Løsning 3

Denne øvelsen kan løses i tre trinn:

1. Den første er smelting av is som absorberer varme fra det første vannet for å smelte og bli til vann.
2. Deretter beregnes temperaturfallet i begynnelsesvannet på grunn av det faktum at det har gitt varme (Qced <0) til å smelte isen.
3. Til slutt må det smeltede vannet (som kommer fra isen) være termisk balansert med vannet som eksisterte opprinnelig.

Figur 4. Løsning på øvelse 3. Kilde: egen utdyping.

La oss beregne varmen som kreves for å smelte is:

Qf = L * Mh = 333,5 kJ / kg * 0,025 kg = 8,388 kJ

Deretter blir varmen gitt av vannet for å smelte isen Qced = -Qf

Denne varmen gitt av vannet senker temperaturen til en verdi T 'som vi kan beregne som følger:

T '= T0 - Qf / (Ma * Ca) = 22,02 ° C

Hvor Ca er varmekapasiteten til vann: 4,18 kJ / (kg ° C).

Endelig vil den opprinnelige massen av vann som nå er ved 22,02 ° C gi opp varmen til massen av smeltet vann fra isen som er ved 0 ° C.

Til slutt, etter tilstrekkelig tid, vil likevektstemperaturen Te oppnås:

Te = (Ma * T '+ Mh * 0 ° C) / (Ma + Mh) = (0,25 kg * 22,02 ° C + 0,025 kg * 0 ° C) / (0,25 kg + 0,025 kg).

Til slutt oppnå likevektstemperaturen:

Te = 20,02 ° C.

-Øvelse 4

Et 0,5 kg bly bly kommer ut av ovnen ved en temperatur på 150 ° C, som ligger godt under smeltepunktet. Dette stykket legges i en beholder med 3 liter vann ved romtemperatur på 20 ° C. Bestem den endelige likevektstemperaturen.

Beregn også:

- Mengde varme levert av bly til vann.

- Mengde varme som absorberes av vann.

Data:

Spesifikk varme av bly: Cp = 0,03 cal / (g ° C); Spesifikk varme av vann: Ca = 1 cal / (g ° C).

Løsning

Først bestemmer vi den endelige likevektstemperaturen Te:

Te = (Ma Ca Ta + Mp Cp Tp) / (Ma Ca + Mp Cp)

Te = 20,65 ° C

Da er varmen som frigjøres av bly:

Qp = Mp Cp (Te - Tp) = -1,94 x 10³ kalk.

Mengden varme som absorberes av vannet vil være:

Qa = Ma Ca (Te - Ta) = + 1,94x 10³ cal.

referanser

1. Atkins, P. 1999. Fysisk kjemi. Omega-utgaver.
2. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørvitenskap og vitenskap. Bind 1. Mc Graw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6. .. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konseptuell fysisk vitenskap. Femte. Ed. Pearson.
5. Resnick, R. (1999). Fysisk. Vol. 1. tredje utgave på spansk. Compañía Editorial Continental SA de CV
6. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
7. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14.. Utgave 1.
8. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 1. 7. Ed. Cengage Learning.