Теплова енергія, температура та зміна стану

15 грудня 2017 р. ∙ 6 хвилин читання

Обмін тепловою енергією

Визначення слова heat

Тепло описується як щось жарке, визначення Ларусса дає більше того: якість гарячого, температура, відчуття, що дає гаряче тіло.

У фізиці це спосіб передачі енергії від одного тіла до іншого (і не відповідає роботі). Термодинаміка - це наука, яка вивчає всі явища, пов’язані з теплом.

термальна енергія

Точніше кажучи, фізики говорять не про тепло, а про теплову енергію.

Теплова енергія, якою обмінюється тіло, відзначається літерою Q і виражається в джоулях або кілоджоулях. Коли тіло отримує теплову енергію, воно оцінюється позитивно, тоді як якщо воно отримує, то негативне.

Більше того, враховуючи збереження енергії, якщо тіло n ° 1 отримує енергію Q1 від тіла n ° 2, яке обмінюється енергією Q2, тоді Q1 = -Q2: енергії, якими обмінюються два тіла, мають однакове абсолютне значення, але протилежне знаки.

Коливання температури під час обміну енергією

Одиниці температури

Можна використовувати кілька температурних шкал. Серед найвідоміших відзначимо:

Градус Кельвіна: міжнародна єдність використовується в термодинаміці. Його назва походить від фізика лорда Кельвіна. Нуль градуса Кельвіна визначається як точка, де не відбувається термічного збудження.
Градус Цельсія: його назва походить від шведського фізика Андерса Цельсія, а його одиниця виражається в ° C. У градусах Цельсія вода перетворюється на лід при 0 ° C. Ця одиниця вимірювання використовується у Франції для позначення температур.
Ступінь Фаренгейта: є одиницею виміру, що використовується в основному в США. Його назва походить від німецького фізика Даніеля Габріеля Фаренгейта.

Як змінити температуру за Цельсієм на температуру Фаренгейта або Кельвіна ?

Щоб змінити градуси Цельсія на градуси Фаренгейта, нам потрібно помножити температуру на 1,8 і додати до неї 32. Щоб змінити градуси Цельсія на градуси Кельвіна, ми повинні додати градуси Цельсія 273,15.

Різниця між градусом Цельсія та градусом Кельвіна

Примітка: існують інші менш відомі температурні шкали, такі як градуси Цельсія або градуси Ранкіна.

Коливання температури

Коливання температури тіла маси m, яке обмінюється тепловою енергією, може бути виражене з наступним співвідношенням:

Q - обмінна теплова енергія, виражена в джоулях (Дж)
m - маса тіла, виражена в кілограмах (кг)
См - це величина, яка називається питомою теплоємністю залежно від природи тіла. См виражається в Джоулях на градус Цельсія на кілограм (Дж. З -1. Кг -1)
Tf відповідає кінцевій температурі після енергетичного обміну, вираженого в градусах Цельсія (° C)
Ti відповідає початковій температурі перед обміном енергії, вираженою в градусах Цельсія (° C)

Примітки:

Це здатність матеріалу накопичувати енергію в тепловій формі, залежно від його маси для даної температури.

У таблиці нижче згруповано деякі специфічні теплові потужності:

Матеріали Масова теплоємність

Алюміній	881
Сталь	470
Рідка вода	4185
Залізо	444
Асфальт	1021
Пісок	835
Скло	720

Зміна стану під час енергообміну

Нагадування про зміни стану

Іноді передача теплової енергії змінює стан тіла.

Тіло може перебувати в 3 різних станах: рідкому, твердому та газовому станах. Кожна зміна штату має певну назву:

Викликається перехід з твердого стану в рідкий синтез і навпаки, називається перехід з рідкого стану в твердий затвердіння.
Викликається перехід з газоподібного стану в твердий конденсація і навпаки називається перехід з твердого стану в газоподібний сублімація.
Викликається перехід з рідкого стану в газоподібний випаровування і навпаки називається перехід з газоподібного стану в рідкий зрідження.

Зміни стану узагальнені на наступному зображенні:

Різні зміни стану.

Зв'язок між передачею та масою:

Коли чисте тіло змінює стан, його температура не змінюється, доки зміна не завершиться. Тепло, необхідне для зміни стану тіла маси m, залежить від цієї маси, а також від величини, що позначається Lm і називається питомою енергією зміни стану, і її можна обчислити, використовуючи таке співвідношення:

Q - теплова енергія, що обмінюється під час зміни стану, виражене в джоулях (Дж)
m - маса тіла, виражена в кілограмах (кг)
L - питома енергія зміни стану, виражена в джоулях на кілограм (Дж. Кг -1)

Що таке Lm або масова енергія зміни стану ?

Цю енергію також називають прихованим теплом. Ось 2 приклади:

1. Зміна стану між рідиною та твердим: плавлення-затвердіння

Якщо ми розмістимо тверде тіло і нагріваємо його до тих пір, поки воно не стане рідким, ми виконуємо синтез. Під час перетворення температура залишається постійною і дорівнює температурі плавлення (Tf) відповідного тіла.

Тепло Q, яке потрібно було подати, пропорційне перетвореній масі m і добре відповідає рівнянню:

При Q теплової енергії в джоулях, m маса в кілограмах і Lf прихована теплота плавлення, виражена в джоулях на кг.

Температура плавлення залежить перш за все від природи використовуваного тіла, а не від умов експерименту. Отже, температура плавлення виражає кількість теплоти, яка повинна надходити до маси тіла, щоб повністю привести його в рідкий стан.

Примітка: тепло, віддане посередині масою, яка твердне, варто

З Ls = -Lf з Ls, що позначає температуру затвердіння.

Ось приклади теплоти плавлення та температури плавлення:

Алюміній: теплота плавлення 330 кДж/кг -1 і температура плавлення 660 ° C
Вуглекислий газ: теплота плавлення 184 кДж/кг -1 і температура плавлення -56,6 ° C
Сірка: теплота плавлення 41,8 кДж/кг -1 і температура плавлення 115 ° C
Меркурій: теплота плавлення 11,5 кДж/кг -1 і температура плавлення -38,87 ° C

2. Зміна стану між рідиною і твердим тілом: випаровування-конденсація

Випаровування означає перехід тіла з рідкого стану в газоподібний. Цей тип трансформації може бути здійснений різними способами, наприклад, наприклад, випаровуванням рідини, що залишилася на відкритому повітрі, або кипінням рідини.

Прихована теплота випаровування Lv тіла при постійній температурі відноситься до кількості теплоти, яка повинна надходити до одиниці маси цього тіла, щоб повністю перетворити його на пару.

Ця зміна стану відзначається як така:

З тепловою енергією Q в Джоулях,
м маса в кілограмах
А Lv - прихована теплота випаровування, виражена в джоулях на кг.

Перехід від рідини до газу.

Примітка: кількість тепла, що передається зовнішньому середовищу масою м газу, коли він конденсується при постійній температурі, еквівалентній:

І Ll = Lv з Ll, що позначає температуру затвердіння.

Ось приклади тепла випаровування та температури або температури кипіння:

Аміак: теплота випаровування 1376 кДж/кг -1 і температура кипіння -33,35 ° C
Етанол: теплота випаровування 906 кДж/кг -1 і температура кипіння 78 ° C
Діоксиген: теплота випаровування 212,5 кДж/кг -1 і температура кипіння -182,9 ° C
Гелій: теплота випаровування 20 кДж/кг -1 і температура кипіння -268,9 °

Програми: ми можемо вивчити теплотворну здатність палива, щоб дізнатись кількість теплоти, отриманої при спалюванні кілограма цього палива. Наприклад, деревина має теплотворну здатність 17500 кДж/кг -1, тоді як природний газ має теплотворну здатність 37600 кДж/кг -1 .

Калориметр

Коли бажано виміряти теплообмін, досліджувані тіла повинні бути ізольовані, щоб теплова енергія не передавалась повітрю, судинам та іншим елементам.

Потім ми використовуємо пристрій під назвою калориметр, який не повністю усуває обмін енергією ззовні, але дозволяє обмежити їх і робить їх оцінюваними (калориметр має теплові потужності, які відомі або які можна виміряти).

Вам сподобалась стаття ?

Засновник Superprof та інженер, ми намагаємось надати найбільшу базу знань.
Захоплюючись фізикою та хімією та вивчаючи природничі науки в середній школі, я ділюсь своїми уроками (після оновлення їх відповідно до Національної освітньої програми).