LÄMPÖ: KAAVAT JA YKSIKÖT, OMINAISUUDET, KUINKA SE MITATAAN, ESIMERKKEJÄ - FYYSINEN - 2026

Lämpö fysiikan määritellään lämpöenergiasta siirretään, kun he kosketuksissa esineitä tai aineita, jotka ovat eri lämpötiloissa. Tämä energiansiirto ja kaikki siihen liittyvät prosessit ovat termodynamiikan tutkimuksen kohde, tärkeä fysiikan haara.

Lämpö on yksi monista muodoista, joita energia kulkee, ja yksi tunnetuimmista. Joten mistä se tulee? Vastaus on atomeissa ja molekyyleissä, jotka muodostavat aineen. Nämä hiukkaset asioiden sisällä eivät ole staattisia. Voimme kuvitella ne pieninä helminä, jotka on kytketty pehmeiden jousien avulla ja jotka pystyvät kutistumaan ja venymään helposti.

Atomit ja molekyylit värähtelevät aineiden sisällä, mikä muuttuu sisäiseksi energiaksi. Lähde: P. Tippens. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset.

Tällä tavalla hiukkaset kykenevät värähtelemään ja niiden energia voidaan siirtää helposti muihin hiukkasiin ja myös rungosta toiseen.

Lämpömäärä, jonka kehon imee tai vapauttaa, riippuu aineen luonteesta, massasta ja lämpötilaerosta. Se lasketaan seuraavasti:

Missä Q on siirretyn lämmön määrä, m on esineen massa, C _e on aineen ominaislämpö ja ΔT = _lopullinen T - _alku T, eli lämpötilaero.

Kuten kaikki energiamuodot, lämpö mitataan jouleina, kansainvälisessä järjestelmässä (SI). Muita sopivia yksiköitä ovat: ergs cgs-järjestelmässä, Btu Ison-Britannian järjestelmässä, ja kalori, termi, jota käytetään yleisesti elintarvikkeiden energiasisällössä.

Lämpöominaisuudet

Nuotion lämpö on siirtävää energiaa. Lähde: Pixabay

On pidettävä mielessä useita avainkäsitteitä:

-Lämpö on energian kuljetuksessa. Esineillä ei ole lämpöä, ne vain vapauttavat tai imevät sitä olosuhteista riippuen. Kohteilla on sisäinen energia niiden sisäisen konfiguraation perusteella.

Tämä sisäinen energia puolestaan ​​koostuu värähtelyliikkeeseen liittyvästä kineettisestä energiasta ja potentiaalienergiasta, tyypillinen molekyylin konfiguraatiolle. Tämän kokoonpanon mukaan aine siirtää lämpöä enemmän tai vähemmän helposti ja tämä heijastuu sen ominaislämpössä C _e, arvo, joka mainittiin yhtälössä Q: n laskemiseksi.

-Toinen tärkeä konsepti on, että lämpö siirtyy aina kuumimmasta vartalosta kylmempään. Kokemus osoittaa, että kuumasta kahvista tuleva lämpö kulkee aina kohti kupin ja levyn posliinia tai lusikan metallia, jonka kanssa sitä sekoitetaan, ei koskaan päinvastoin.

-Siirtyneen tai imeytyneen lämmön määrä riippuu kyseisen kehon massasta. Saman määrän kalorien tai joulien lisääminen näytteeseen, jonka massa on X, ei kuumene samalla tavalla toista, jonka massa on 2X.

Syy? Suuremmassa näytteessä on enemmän hiukkasia, ja jokainen saisi keskimäärin vain puolet pienemmän näytteen energiasta.

Terminen tasapaino ja energian säilyttäminen

Kokemus kertoo meille, että kun asetamme kaksi eri lämpötilassa olevaa esinettä kosketukseen, hetken kuluttua molempien lämpötila on sama. Sitten voidaan todeta, että esineet tai järjestelmät, kuten niitä voidaan myös kutsua, ovat lämpötasapainossa.

Toisaalta pohdittaessa kuinka lisätä eristetyn järjestelmän sisäistä energiaa, päätellään, että mekanismeja on kaksi:

i) Lämmitys, ts. energian siirto toisesta järjestelmästä.

ii) Suorita siihen jonkinlainen mekaaninen työ.

Energian säästö huomioon ottaen:

Termodynamiikan puitteissa tämä säilyvyysperiaate tunnetaan termodynamiikan ensimmäisenä lakina. Sanomme, että järjestelmä on eristettävä, koska muuten olisi tarpeen harkita muita tasapainon energiansyöttöjä tai -lähtöjä.

Kuinka lämpö mitataan?

Lämpö mitataan sen tuottaman vaikutuksen mukaan. Siksi kosketustunto ilmoittaa nopeasti, kuinka kuuma tai kylmä juoma, ruoka tai mikä tahansa esine on. Koska lämmön siirtäminen tai absorboiminen aiheuttaa lämpötilan muutoksia, tämän mittaaminen antaa kuvan siitä, kuinka paljon lämpöä on siirretty.

Lämpötilan mittaamiseen käytettävä instrumentti on lämpömittari, laite, joka on varustettu asteikolla asteikolla lukeman suorittamiseksi. Tunnetuin on elohopealämpömittari, joka koostuu hienosta elohopean kapillaarista, joka laajenee kuumentuessaan.

Lämpömittari asteikolla Celsius ja Fahrenheit asteikot. Lähde: Pixabay.

Elohopealla täytetty kapillaari asetetaan sitten lasiputkeen, jossa on vaaka, ja se saatetaan kosketukseen rungon kanssa, jonka lämpötila on mitattava, kunnes ne saavuttavat lämpötasapainon ja kummankin lämpötila on sama.

Mitä tarvitaan lämpömittarin tekemiseen?

Aluksi sinulla on oltava jokin lämpömittari, ts. Yksi, joka vaihtelee lämpötilan mukaan.

Esimerkiksi kaasu tai neste, kuten elohopea, paisuvat kuumentuessaan, vaikka palvelee myös sähkövastusta, joka emittoi lämpöä, kun virta kulkee sen läpi. Lyhyesti sanottuna mitä tahansa lämpömittarista ominaisuutta, joka on helposti mitattavissa, voidaan käyttää.

Jos lämpötila t on suoraan verrannollinen termometriseen ominaisuuteen X, se voidaan kirjoittaa:

Missä k on suhteellisuusvakio, joka määritetään, kun asetetaan kaksi sopivaa lämpötilaa ja mitataan vastaavat X-arvot. Sopivat lämpötilat tarkoittavat laboratoriossa helppoa saavuttaa.

Kun parit (t ₁, X ₁) ja (t ₂, X ₂) on muodostettu, niiden välinen aika jaetaan tasaisiin osiin, nämä ovat asteita.

Lämpötilavaa'at

Lämpötila-asteikon muodostamiseksi tarvittavat lämpötilat valitaan sillä kriteerillä, että niitä on helppo saada laboratoriossa. Yksi laajimmin käytetyistä asteikoista ympäri maailmaa on Celsius-asteikko, jonka on luonut ruotsalainen tutkija Anders Celsius (1701-1744).

Celsius-asteikon 0 on lämpötila, jossa jää ja nestemäinen vesi ovat tasapainossa 1 paineilmakehässä, kun taas yläraja valitaan, kun nestemäinen vesi ja vesihöyry ovat tasapainossa ja 1 paineilmakehässä. Tämä väli on jaettu 100 asteeseen, joista kutakin kutsutaan celsiusasteeksi.

Tämä ei ole ainoa tapa rakentaa mittakaava kaukana siitä. On myös muita asteikkoja, kuten Fahrenheit-asteikko, joissa välit on valittu muiden arvojen kanssa. Ja siellä on Kelvin-asteikko, jolla on vain alaraja: absoluuttinen nolla.

Absoluuttinen nolla vastaa lämpötilaa, jossa aineen kaikkien hiukkasten liikkuminen loppuu kokonaan, vaikka se onkin tullut melko lähelle, se ei ole vielä pystynyt jäähdyttämään mitään ainetta absoluuttiseen nollaan.

esimerkit

Jokainen kokee lämpöä päivittäin joko suoraan tai epäsuorasti. Esimerkiksi kun nautit kuumaa juomaa keskipäivän auringossa, tutkiessasi moottorin lämpötilaa, ihmisten täydessä huoneessa ja lukemattomissa muissa tilanteissa.

Maapallolla lämpö on välttämätöntä elämäprosessien ylläpitämiseksi, sekä sen, joka tulee auringosta että sen, mikä tulee planeetan sisäosista.

Samoin ilmastoa ohjaavat ilmakehässä tapahtuvat lämpöenergian muutokset. Auringon lämpö ei saavuta yhtäläisesti kaikkialla, päiväntasaajan leveysasteilla se saavuttaa enemmän kuin napoilla, joten tropiikan kuumin ilma nousee ja liikkuu pohjoiseen ja etelään saavuttamaan lämpötasapainon siitä puhuttiin aiemmin.

Tällä tavalla ilmavirrat muodostuvat eri nopeuksilla, jotka kuljettavat pilviä ja sadetta. Toisaalta kuuma- ja kylmäilma fronttien äkillinen törmäys aiheuttaa ilmiöitä, kuten myrskyjä, tornadoja ja hirmumyrskyjä.

Sitä vastoin läheisemmällä tasolla lämpö ei ehkä ole yhtä tervetullut kuin auringonlasku rannalla. Lämpö aiheuttaa käyttöongelmia autojen moottoreissa ja tietokoneiden prosessoreissa.

Se aiheuttaa myös sähköenergian menetyksen johtokaapeleissa ja materiaaleissa, minkä vuoksi lämpökäsittely on niin tärkeää kaikilla tekniikan aloilla.

Harjoitukset

- Harjoitus 1

Karkin etiketissä lukee, että se tarjoaa 275 kaloria. Kuinka paljon energiaa jouleissa tämä karkki vastaa?

Ratkaisu

Alussa kalorimäärä oli mainittu lämpöyksikönä. Ruoka sisältää energiaa, joka yleensä mitataan näissä yksiköissä, mutta ruokavalion kalorit ovat tosiasiallisesti kilokaloreita.

Vastaavuus on seuraava: 1 kcal = 4186 J, ja päätellään, että karkkilla on:

275 kilokaloria x 4186 joulea / kilokalori = 1,15 10 ⁶ J.

- Harjoitus 2

100 g metallia kuumennetaan 100 ° C: seen ja asetetaan kalorimetriin, jossa on 300 g vettä 20 ° C: ssa. Lämpötila, jonka järjestelmä saa, kun se saavuttaa tasapainon, on 21,44 ° C. Sinua pyydetään määrittämään metallin ominaislämpö, ​​olettaen, että kalorimetri ei ime lämpöä.

Ratkaisu

Tässä tilanteessa metalli luovuttaa lämpöä, jota kutsumme _annetuksi Q , ja ennen sitä asetetaan merkki (-) häviön osoittamiseksi:

Kalorimetrin vesi puolestaan ​​imee lämpöä, jota merkitään absorboituneena Q:

Energia säästyy, josta seuraa, että:

Lauseesta voidaan laskea ΔT:

Tärkeää: 1 ºC on samankokoinen kuin 1 kelvini. Ero näiden kahden asteikon välillä on se, että Kelvin-asteikko on ehdoton (Kelvin-asteet ovat aina positiivisia).

Veden ominaislämpö 20ºC: ssa on 4186 J / kg. K ja tällä absorboitunut lämpö voidaan laskea:

Lopuksi voidaan todeta, että metallin ominaislämpö puhdistetaan:

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikan ja tieteiden aloille. Osa 1 - McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Fysiikka II: Kompetenssien lähestymistapa. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. 6 ^ta Editointi lyhennetty. Cengagen oppiminen.
4. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset. 7. painos. Mcgraw-mäki