HERKKÄ LÄMPÖ: KÄSITE, KAAVAT JA RATKAISETUT HARJOITUKSET - FYYSINEN - 2026

Lämpösisällön on lämpöenergia syötetään kohteen sen lämpötila nousee. Se on piilevän lämmön vastakohta, jossa lämpöenergia ei nosta lämpötilaa, vaan edistää vaihemuutosta, esimerkiksi kiinteästä nesteeksi.

Esimerkki selventää käsitettä. Oletetaan, että meillä on potti vettä huoneenlämpötilassa 20 ° C. Kun asetamme sen liesiin, syötetty lämpö nostaa veden lämpötilaa hitaasti, kunnes se saavuttaa 100 ° C (veden kiehumislämpötila merenpinnan tasolla). Toimitettua lämpöä kutsutaan järkeväksi lämpöksi.

Käsien lämmittäminen on järkevää. Lähde: Pixabay

Kun vesi saavuttaa kiehumispisteen, polttimen toimittama lämpö ei enää nosta veden lämpötilaa, joka pysyy 100 ° C: ssa. Tässä tapauksessa toimitettu lämpöenergia sijoitetaan veden haihtumiseen. Toimitettu lämpö on piilevä, koska se ei korottanut lämpötilaa, vaan aiheutti muutoksen nestefaasista kaasufaasiin.

On kokeellinen tosiasia, että tietyn lämpötilan vaihtelun saavuttamiseksi tarvittava järkevä lämpö on suoraan verrannollinen tuon variaatioon ja esineen massaan.

Konsepti ja kaavat

On havaittu, että tuntuva lämpö riippuu massasta ja lämpötilaerosta myös materiaalista. Tästä syystä järkevän lämmön ja massa- ja lämpötilaeron tuotteen välistä suhteellisuusvakiota kutsutaan ominaislämpöksi.

Toimitetun järkevän lämmön määrä riippuu myös prosessin suoritustavasta. Esimerkiksi on erilaista, jos prosessi suoritetaan vakiona tilavuudessa kuin vakiopaineessa.

Kaava järkevälle lämmölle isobarisessa prosessissa, toisin sanoen vakiopaineessa, on seuraava:

Q = cp. m (Tf - T i)

Edellä olevassa yhtälössä Q on lämpösisältö syötetään kohteen massa m, mikä on nostanut sen alkulämpötila T _i loppuarvoon Tf. Edellisessä yhtälössä näkyy myös cp, joka on materiaalin ominaislämpö vakiopaineessa, koska prosessi on suoritettu tällä tavalla.

Huomaa myös, että järkevä lämpö on positiivinen, kun esine imeytyy siihen ja aiheuttaa lämpötilan nousun.

Siinä tapauksessa, että lämpöä syötetään jäykkään säiliöön suljettuun kaasuun, prosessi on isokorinen, toisin sanoen vakiona olevalla tilavuudella; ja järkevä lämpökaava kirjoitetaan näin:

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

Adiabaattinen kerroin γ

Saman materiaalin tai aineen ominaislämmön vakiopaineessa ja vakio tilavuudessa olevan ominaislämmön välistä osuutta kutsutaan adiabaattiseksi kertoimeksi, jota yleensä merkitään kreikkalaisella gamma-kirjaimella y.

Adiabaattinen kerroin on suurempi kuin yksikkö. Lämpö, ​​joka tarvitaan yhden gramman ruumiin lämpötilan nostamiseksi yhdellä asteella, on isobarisessa prosessissa suurempi kuin isohorisessa.

Tämä johtuu siitä, että ensimmäisessä tapauksessa osa lämmöstä käytetään mekaanisten töiden suorittamiseen.

Erityisen lämmön lisäksi yleensä määritellään myös kehon lämpökapasiteetti. Tämä on lämmön määrä, joka tarvitaan ruumiin lämpötilan nostamiseksi yhden asteen celsiusastetta.

Lämpökapasiteetti C

Lämpökapasiteettia merkitään päällä C, kun taas ominaislämpöä pienellä c. Molempien määrien välinen suhde on:

C = c⋅ m

Missä m on kehon massa.

Käytetään myös molaarista ominaislämpöä, joka määritetään järkevällä lämmön määrällä, joka tarvitaan yhden moolin aineen lämpötilan nostamiseksi celsiusasteella tai Kelvinillä.

Ominaislämpö kiinteissä aineissa, nesteissä ja kaasuissa

Useimpien kiintoaineiden molaarisen ominaislämmön arvo on lähellä kolme kertaa R, missä R on yleinen kaasuvakio. R = 8,314472 J / (mol *).

Esimerkiksi alumiinilla on molaarinen ominaislämpö 24,2 J / (mol ℃), kuparilla 24,5 J / (mol ℃), kullalla 25,4 J / (mol ℃) ja pehmeällä raudalla 25,1 J / (mol ℃). Huomaa, että nämä arvot ovat lähellä 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Sitä vastoin useimmille kaasuille molaarinen ominaislämpö on lähellä n (R / 2), missä n on kokonaisluku ja R on yleinen kaasuvakio. Kokonaisluku n liittyy kaasun muodostavan molekyylin vapausasteiden lukumäärään.

Esimerkiksi monatomisessa ideaalikaasussa, jonka molekyylillä on vain kolme translaation vapausastetta, molaarinen ominaislämpö vakiotilavuudessa on 3 (R / 2). Mutta jos se on diatominen ideaalikaasu, siinä on lisäksi kaksi kiertoastetta, joten cv = 5 (R / 2).

Ihannekaasuissa seuraa molaarisen ominaislämmön vakiopaineessa ja vakiotilavuuden välinen suhde: cp = cv + R.

Vesi ansaitsee erityisen maininnan. Nestemäisessä tilassa 25 ℃ lämpötilassa veden cp = 4,1813 J / (g ℃), vesihöyryn lämpötilassa 100 celsiusastetta on cp = 2,080 J / (g ℃) ja vesijäässä nolla celsiusasteessa on cp = 2 050 J / (g *).

Ero piilevän lämmön kanssa

Aine voi olla kolmessa tilassa: kiinteä, nestemäinen ja kaasu. Energiaa tarvitaan tilan muuttamiseen, mutta kukin aine reagoi siihen eri tavalla molekyyli- ja atomiominaisuuksiensa perusteella.

Kun kiinteä aine sulaa tai neste haihtuu, esineen lämpötila pysyy vakiona, kunnes kaikki hiukkaset ovat vaihtaneet tilansa.

Tästä syystä on mahdollista, että aine on tasapainossa kahdessa vaiheessa: esimerkiksi kiinteä - nestemäinen tai nestemäinen - höyry. Määrä ainetta voidaan siirtää tilasta toiseen lisäämällä tai poistamalla vähän lämpöä, kun lämpötila pysyy kiinteänä.

Materiaaliin syötetty lämpö saa sen hiukkaset värisemään nopeammin ja lisäävät niiden kineettistä energiaa. Tämä tarkoittaa lämpötilan nousua.

On mahdollista, että hankkima energia on niin suurta, että ne eivät enää palaa tasapainoasentoonsa ja niiden välinen etäisyys kasvaa. Kun tämä tapahtuu, lämpötila ei nouse, mutta aine siirtyy kiinteästä nestemäiseksi tai nesteestä kaasuksi.

Tämän tapahtumiseksi tarvittava lämpö tunnetaan piilevänä lämmönä. Siksi piilevä lämpö on lämpö, ​​jolla aine voi muuttaa vaihetta.

Tässä on ero järkevällä kuumuudella. Aistinvarainen lämpö absorboi lämpötilaa ja pysyy samassa tilassa.

Kuinka laskea piilevä lämpö?

Piilevä lämpö lasketaan yhtälöllä:

Missä L voi olla erityinen höyrystymislämpö tai sulamislämpö. L: n yksiköt ovat energia / massa.

Tutkijat ovat antaneet lämpöä lukuisia nimiä riippuen reaktion tyypistä, johon se osallistuu. Esimerkiksi siellä on reaktion lämpö, ​​palamislämpö, ​​jähmettymislämpö, ​​liuoksen lämpö, ​​sublimoitumislämpö ja monet muut.

Monien tämäntyyppisten lämpömuotojen arvot erilaisille aineille on taulukoitu.

Ratkaistuja harjoituksia

Esimerkki 1

Oletetaan, että alumiinipalan massa on 3 kg. Alun perin lämpötila on 20 ° C ja haluat nostaa sen lämpötilan 100 ° C: seen. Laske tarvittava järkevä lämpö.

Ratkaisu

Ensin meidän on tiedettävä alumiinin ominaislämpö

cp = 0,897 J / (g ° C)

Silloin alumiinikappaleen lämmittämiseen tarvittava lämpömäärä on

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

Q = 215 280 J

Esimerkki 2

Laske lämpötila, joka tarvitaan yhden litran veden lämmittämiseen 25 ° C: sta 100 ° C: seen merenpinnan tasolla. Ilmoita tulos myös kilokaloreina.

Ratkaisu

Ensimmäinen asia, joka muistetaan, on, että 1 litra vettä painaa 1 kg eli 1000 grammaa.

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

Kalori on energiayksikkö, joka määritellään järkeväksi lämmöksi, joka tarvitaan gramman veden nostamiseksi yhden celsiusasteen verran. Siksi 1 kalori vastaa 4,1813 joulea.

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

Esimerkki 3

360,16 gramman pala materiaalia kuumennetaan lämpötilasta 37 ºC - 140 ℃. Lämpöenergia on 1150 kaloria.

Kuumennetaan näytettä. Lähde: itse tehty.

Etsi materiaalin ominaislämpö.

Ratkaisu

Voimme kirjoittaa ominaislämpöä järkevän lämmön, massan ja lämpötilan vaihtelun funktiona kaavan mukaan:

cp = Q / (m AT)

Korvaavat seuraavat tiedot:

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

Mutta koska yksi kalori on 4,1813 J, tulos voidaan ilmaista myös

cp = 0,130 J / (g ℃)

Viitteet

1. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. 6 ^th. Toimittaja Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. 6 ^ta Editointi lyhennetty. Cengagen oppiminen. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset. 7th. Tarkistettu painos. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14 ^th. Osa 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fysiikan perusteet. 9 ^na Cengage -oppiminen. 362-374.