ТОПЛИНА: ФОРМУЛЕ И ЈЕДИНИЦЕ, КАРАКТЕРИСТИКЕ, КАКО СЕ МЕРЕ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2024

Топлота из физике се дефинише као топлотне енергије преноси кад год контаката предмети или супстанце које су на различитим температурама. Овај пренос енергије и сви процеси повезани са њим предмет су проучавања термодинамике, важне гране физике.

Топлина је један од многих облика који енергија поприма и један од најпознатијих. Па одакле долази? Одговор лежи у атомима и молекулама који чине материју. Ове честице унутар ствари нису статичне. Можемо их замислити као мале перле повезане меким опругама, способним да се са лакоћом смањују и истежу.

Атоми и молекули вибрирају унутар супстанци, што се претвара у унутрашњу енергију. Извор: П. Типпенс. Физика: појмови и апликације.

На овај начин честице могу да вибрирају и њихова енергија се може лако пренети на друге честице, а такође и из једног у друго тело.

Количина топлоте коју тело апсорбује или ослобађа зависи од природе супстанце, њене масе и разлике у температури. Израчунава се овако:

Где је К количина пренесене топлоте, м је маса предмета, Ц _е специфична топлота материје и ΔТ = _крајња Т - _{почетна} Т , то јест разлика температуре.

Као и сви облици енергије, топлота се у Међународном систему (СИ) мери у џулима. Остале одговарајуће јединице су: ергови у систему цгс, Бту у британском систему и калорија, израз који се обично користи за енергетски садржај хране.

Карактеристике топлоте

Топлина од ватре је енергија у преносу. Извор: Пикабаи

Има на уму неколико кључних концепата:

- Топлота се односи на енергију у транзиту. Предмети немају топлоту, само их ослобађају или апсорбују у зависности од околности. Предмети имају унутрашњу енергију, захваљујући њиховој унутрашњој конфигурацији.

Та унутрашња енергија је сачињена од кинетичке енергије повезане са вибрационим кретањем и потенцијалне енергије, типичне за молекуларну конфигурацију. Према овој конфигурацији, супстанца ће топлотније или мање преносити топлоту и то се одражава на специфичну топлоту Ц _е , вредност која је споменута у једначини за израчунавање К.

- Други важан концепт је да се топлота увек преноси са најтоплијег тела до најхладнијег. Искуство показује да топлота вруће кафе увек прелази према порцулану шоље и тањира, или металу кашике са којом се меша, никада обрнуто.

-Количина пренесене или апсорбоване топлоте зависи од масе тела у питању. Додавање исте количине калорија или џула у узорак са Кс масом не загрева се на исти начин други чија је маса 2Кс.

Разлог? У већем узорку има више честица, а свака би у просеку примала само половину енергије мањег узорка.

Топлотна равнотежа и очување енергије

Искуство нам говори да ћемо, када ставимо два објекта на различитим температурама у контакт, након неког времена температура оба бити иста. Тада се може констатовати да су објекти или системи, како их још могу назвати, у топлотној равнотежи.

С друге стране, размишљајући о томе како повећати унутрашњу енергију изолованог система, закључује се да постоје два могућа механизма:

и) Грејањем, односно преношењем енергије из другог система.

ии) Извршите неку врсту механичких радова на њему.

Узимајући у обзир да се енергија чува:

У оквиру термодинамике, овај принцип очувања познат је под називом Први закон термодинамике. Кажемо да систем мора бити изолован, јер би у супротном било потребно размотрити друге уносе или излазе енергије у равнотежи.

Како се мери топлота?

Топлина се мјери према ефекту који производи. Због тога је осећај додира брзо информисање колико је вруће или хладно пиће, храна или било који предмет. Пошто преношење или апсорбирање топлоте доводи до промене температуре, мерењем се то даје колико топлоте је пренесено.

Инструмент који се користи за мерење температуре је термометар, уређај опремљен степеном скали за извођење очитања. Најпознатији је живински термометар, који се састоји од фине капиларе живе која се шири при загревању.

Термометар са дипломирањем у Целзијусовој и Фаренхејтовој скали. Извор: Пикабаи.

Капилар испуњен живом затим се убацује у стаклену цев са скалом и ставља се у контакт са телом, чија температура мора бити измерена док не достигну топлотну равнотежу, а температура обоје је иста.

Шта је потребно за прављење термометра?

За почетак морате имати неко термометријско својство, односно оно које варира у зависности од температуре.

На пример, гас или течност као што је жива, шире се када се загреју, мада служи и електрични отпор који емитује топлоту када кроз њу прође струја. Укратко, може се користити било које термометријско својство које је лако мерљиво.

Ако је температура т директно пропорционална термометријском својству Кс, тада се може написати:

Где је к константа пропорционалности која се утврђује када су постављене две одговарајуће температуре и мере се одговарајуће вредности Кс. Одговарајуће температуре значе лако добити у лабораторији.

Једном када су парови (т ₁ , Кс ₁ ) и (т ₂ , Кс ₂ ) успостављени, интервал између њих подељен је на једнаке делове, то ће бити степени.

Температурне ваге

Избор температура потребних за изградњу температурне скале врши се уз критеријум који их је лако добити у лабораторији. Једна од најчешће коришћених лествица широм света је Целзијусова скала, коју је створио шведски научник Андерс Целсиус (1701-1744).

0 на Целзијусовој скали је температура при којој су лед и течна вода равнотежни при 1 атмосфери притиска, док је горња граница одабрана када су течна вода и водена пара једнаки у равнотежи и под притиском 1 атмосфере. Овај интервал је подељен на 100 степени, од којих се сваки назива степен степени.

Ово није једини начин за изградњу скале, далеко од ње. Постоје и друге различите скале, као што је Фаренхејтова скала, у којима су интервали одабрани са другим вредностима. А ту је и Келвинова скала, која има само доњу границу: апсолутну нулу.

Апсолутна нула одговара температури на којој престаје свако кретање честица неке супстанце, међутим, иако се већ приближило, још увек није успело да охлади ниједну супстанцу до апсолутне нуле.

Примери

Сви свакодневно доживљавају топлину, било директно или индиректно. На примјер, када пијете вруће пиће, на подневном сунцу, испитујете температуру аутомобила у аутомобилу, у соби пуној људи и у безброј других ситуација.

На Земљи је топлота неопходна за одржавање животних процеса, како оних који долазе са Сунца, тако и оних који излазе из унутрашњости планете.

Исто тако, климом управљају промене топлотне енергије које се јављају у атмосфери. Сунчева топлота не стиже свуда подједнако, на екваторијалним ширинама она достиже више него на половима, тако да се најтоплији ваздух у тропима диже и помера ка северу и југу, како би се постигао топлотни баланс о томе се раније говорило.

На овај начин се успостављају ваздушне струје различитим брзинама, које превозе облаке и кишу. С друге стране, изненадни судар између фронтова врућег и хладног ваздуха изазива појаве попут олује, торнада и урагана.

Супротно томе, на ближем нивоу врућина можда није толико добродошла као залазак сунца на плажи. Топлина узрокује проблеме у раду код мотора аутомобила и рачунарских процесора.

Такође узрокује губитак електричне енергије у проводним кабловима и материјалима због чега је топлотна обрада тако важна у свим областима инжењерства.

Вежбе

- Вежба 1

На етикети слаткиша пише да садржи 275 калорија. Колико је енергије у џуловима једнака?

Решење

На почетку се калорија помиње као јединица за топлину. Храна садржи енергију која се обично мери у овим јединицама, али прехрамбене калорије су заправо какалорије.

Еквивалентност је следећа: 1 кцал = 4186 Ј, и закључује се да бомбони имају:

275 килокалорија к 4186 јоуле / килоцалорие = 1,15 10 ⁶ Ј.

- Вежба 2

100 г метала се загрева на 100 ° Ц и стави у калориметар са 300 г воде на 20 ° Ц. Температура коју систем постигне кад достигне равнотежу је 21,44 ° Ц. Од вас се тражи да одредите специфичну топлоту метала, под претпоставком да калориметар не апсорбује топлоту.

Решење

У овој ситуацији, метал даје топлину, коју ћемо назвати _дато К и испред ње се поставља знак (-) да укаже на губитак:

Са своје стране, вода у калориметру апсорбује топлоту која ће бити означена као К апсорбована:

Енергија се чува, из чега произлази:

Из извода можете израчунати ΔТ:

Важно: 1 ° Ц је исте величине као 1 келвин. Разлика између две скале је у томе што је Келвинова скала апсолутна (Келвински степен је увек позитиван).

Специфична топлота воде на 20 ° Ц је 4186 Ј / кг. К и уз то се може израчунати апсорбована топлота:

Да закључим, специфична топлота метала се уклања:

Референце

1. Бауер, В. 2011. Физика за инжењерство и науке. Свезак 1. МцГрав Хилл.
2. Цуеллар, ЈА Физика ИИ: Приступ компетенцијама. МцГрав Хилл.
3. Киркпатрицк, Л. 2007. Физика: поглед на свет. 6 ^та Уређивање скраћено. Ценгаге Леарнинг.
4. Книгхт, Р. 2017. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон.
5. Типпенс, П. 2011. Физика: појмови и апликације. 7тх Едитион. Мцграв Хилл