HŐ: KÉPLETEK ÉS EGYSÉGEK, JELLEMZŐK, HOGYAN KELL MÉRNI, PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

A fizikában a hő az a hőenergia, amelyet átadnak, amikor azok érintkeznek tárgyakkal vagy anyagokkal, amelyek különböző hőmérsékleten vannak. Ez az energiaátadás és az ahhoz kapcsolódó összes folyamat a termodinamika, a fizika fontos ágának tanulmányozásának tárgya.

A hő az energia sokféle formájának egyike, és az egyik legismertebb. Szóval honnan származik? A válasz az atomokat és molekulákat rejti, amelyek az anyagot alkotják. Ezek a részecskékben lévő részecskék nem statikusak. Elképzelhetjük őket, mint egy kis rugókkal összekapcsolt kis gyöngyöket, amelyek könnyedén zsugorodnak és nyújthatók.

Az atomok és a molekulák az anyagokon belül rezegnek, amelyek belső energiává alakulnak. Forrás: P. Tippens. Fizika: Fogalmak és alkalmazások.

Ily módon a részecskék képesek rezegni, és energiájuk könnyen átvihető más részecskékre, és testükről a másikra is.

Az a hőmennyiség, amelyet egy test elnyel vagy felszabadít, az anyag természetétől, tömegétől és a hőmérséklet-különbségtől függ. Az alábbiak szerint számítják ki:

Ahol Q az átadott hőmennyiség, m a tárgy tömege, C _e az anyag fajlagos hője és ΔT = _végső T - _kezdeti T, azaz a hőmérsékleti különbség.

Az energia minden formájához hasonlóan a hőt džaulokban is mérik a Nemzetközi Rendszerben (SI). További megfelelő egységek: az ergs a cgs rendszerben, a Btu a brit rendszerben, és a kalória, amelyet az élelmiszerek energiatartalmára általában használnak.

Hőjellemzők

A tábortűzből származó hő átadja az energiát. Forrás: Pixabay

Számos kulcsfontosságú fogalmat kell szem előtt tartani:

-A meleg az áthaladó energiáról szól. A tárgyaknak nincs hője, csak a körülményektől függően szabadítják fel vagy szívják fel. A tárgyak belső energiájuk a belső konfigurációjuknak köszönhető.

Ez a belső energia viszont a vibrációs mozgással járó kinetikus energiából és a molekuláris konfigurációra jellemző potenciális energiából áll. E konfiguráció szerint egy anyag többé-kevésbé könnyebben hordozza át a hőt, és ez tükröződik saját fajlagos hőében, C _e, az az érték, amelyet a Q kiszámításához használt egyenletben említettek.

-A második fontos koncepció az, hogy a hőt mindig a legforróbb testről a leghidegebbre kell átvinni. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a forró kávéból származó hő mindig a csésze és tányér porcelánja felé vagy a kanál féméhez vezet, amelyhez keverik, soha nem fordítva.

-A hordozott vagy elnyelt hőmennyiség a kérdéses test tömegétől függ. Ha ugyanannyi kalóriát vagy joule-t adunk az X tömegű mintához, akkor nem melegszik ugyanolyan módon egy másik, amelynek tömege 2X.

Az OK? Több részecske van a nagyobb mintában, és mindegyik átlagosan csak a kisebb minta energiájának felét fogja kapni.

Hő egyensúly és az energia megőrzése

A tapasztalatok azt mutatják, hogy ha két tárgyat különböző hőmérsékleten érintkeztetünk, egy idő után mindkettő hőmérséklete megegyezik. Ezután kijelenthető, hogy az objektumok vagy rendszerek, amint azok is megnevezhetők, termikus egyensúlyban vannak.

Másrészt arra gondolva, hogyan lehet növelni egy izolált rendszer belső energiáját, arra a következtetésre juthatunk, hogy két lehetséges mechanizmus létezik:

i) Fűtés, vagyis az energia átvitele egy másik rendszerből.

ii) Végezzen valamilyen mechanikai munkát rajta.

Figyelembe véve az energiamegtakarítást:

A termodinamika keretein belül ez a megőrzési elv az első termodinamikai törvény. Azt mondjuk, hogy a rendszert el kell szigetelni, mert különben a többi energiabemenetet vagy kimenetet kell mérlegelni az egyensúlyban.

Hogyan mérik a hőt?

A hőt az általunk kifejtett hatás szerint mérik. Ezért a tapintás érzi gyorsan, hogy meleg vagy hideg van egy ital, étel vagy bármilyen tárgy. Mivel a hő átadása vagy elnyelése hőmérsékleti változásokat eredményez, ennek mérése képet ad arról, mennyi hő került át.

A hőmérséklet mérésére szolgáló eszköz a hőmérő, amely egy mérleggel felszerelt készülék a leolvasás elvégzéséhez. A legismertebb a higanyhőmérő, amely egy finom higanykapillárisból áll, amely melegítéskor kiszélesedik.

Hőmérő Celsius és Fahrenheit skálán. Forrás: Pixabay.

Ezután a higanyval töltött kapillárist egy üvegcsőbe helyezik egy mérleggel és érintkezésbe hozzák a testtel, amelynek hőmérsékletét addig kell mérni, amíg el nem érik a termikus egyensúlyt, és mindkettő hőmérséklete megegyezik.

Mire van szükség egy hőmérő készítéséhez?

Először is rendelkeznie kell valamilyen hőmérő tulajdonsággal, azaz olyan, amely a hőmérséklettől függ.

Például egy gáz vagy folyadék, például a higany, hevítés közben tágul, bár egy elektromos ellenállás is szolgál, amely hőt bocsát ki, amikor egy áram áthalad rajta. Röviden: bármilyen, könnyen mérhető hőmérő tulajdonság felhasználható.

Ha t hőmérséklete közvetlenül arányos az X hőmérő tulajdonsággal, akkor ezt meg lehet írni:

Ahol k az arányosság állandója, amelyet meg kell határozni, ha két megfelelő hőmérsékletet állítanak be, és megmérik a X megfelelő értékeit. A megfelelő hőmérséklet azt jelenti, hogy a laboratóriumban könnyen megszerezhető.

Miután a (t ₁, X ₁) és (t ₂, X ₂) párokat létrehozták, a köztük lévő intervallum egyenlő részre oszlik, ezek fokok lesznek.

Hőmérsékleti skálák

A hőmérsékleti skála elkészítéséhez szükséges hőmérsékleteket azzal a kritériummal választják meg, hogy ezeket könnyen meg lehet szerezni a laboratóriumban. Az egyik legszélesebb körben használt skála a Celsius-skála, amelyet Anders Celsius (1701-1744) svéd tudós készített.

A Celsius-skálán a 0 az a hőmérséklet, amelyen a jég és a folyékony víz egyensúlyban van egy nyomás atmoszférában, miközben a felső határot akkor választják, ha a folyékony víz és a vízgőz egyenlő az egyensúlyban és 1 nyomás atmoszférában. Ezt az intervallumot 100 fokra osztják, amelyeket mindegyiket fokos foknak hívnak.

Ez nem az egyetlen módja annak, hogy egy skálát építsenek, messze tőle. Vannak más különféle skálák is, például a Fahrenheit-skála, amelyekben az intervallumokat más értékekkel választottuk meg. És ott van a Kelvin-skála, amelynek csak alsó határa van: abszolút nulla.

Az abszolút nulla annak a hőmérsékletnek felel meg, amelyen az anyag részecskéinek minden mozgása teljesen leáll, bár annak ellenére, hogy meglehetősen közel került, még nem tudott egyetlen anyagot sem abszolút nullára lehűteni.

Példák

Mindenki közvetlen vagy közvetett módon napi rendszerességgel él hővel. Például, ha meleg italt fogyaszt, délben a napfényben, megvizsgálva egy autómotor hőmérsékletét, emberekkel teli helyiségben és számtalan egyéb helyzetben.

A Földön hőre van szükség az életfolyamatok fenntartásához, mind a Napból, mind pedig a bolygó belsejéből.

Hasonlóképpen, az éghajlatot a hőenergiában a légkörben bekövetkező változások vezérlik. A Nap hője nem éri el mindenhol egyenlő mértékben, egyenlítői szélességnél többet ér el, mint a pólusoknál, tehát a trópusok legforróbb levegője felmegy, és északra és délre mozog, hogy elérje a hő egyensúlyt erről már korábban beszéltünk.

Ily módon a légáramok különböző sebességgel alakulnak ki, amelyek felhőket és esőket szállítanak. Másrészről, a meleg és a hideg levegő frontok hirtelen ütközése olyan jelenségeket okoz, mint viharok, tornádók és hurrikánok.

Ezzel szemben egy közelebbi szintnél a hő nem lehet olyan üdvözlendő, mint a naplemente a tengerparton. A hő működési problémákat okoz az autómotorokban és a számítógépes processzorokban.

Ugyanakkor elveszíti az elektromos energiát a vezetékkábelekben és az anyagokban, ezért a hőkezelés olyan fontos a mérnöki munka minden területén.

Feladatok

- 1. Feladat

Az édesség címkéjén olvasható, hogy 275 kalóriát tartalmaz. Mennyi energia džaulban egyenértékű ezzel az édességgel?

Megoldás

Az elején a kalóriát meleg egységként említették. Az élelmiszer olyan energiát tartalmaz, amelyet általában ezekben az egységekben mérnek, de az étrendi kalória valójában kilokalória.

Az egyenértékűség a következő: 1 kcal = 4186 J, és arra a következtetésre jutottunk, hogy az édességnek:

275 kilokalória x 4186 joule / kilokalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- 2. gyakorlat

100 g fémet melegítünk 100 ° C-ra, és 300 g vízzel 20 ° C hőmérsékleten kaloriméterbe helyezzük. Az a hőmérséklet, amelyet a rendszer eléri az egyensúly elérésekor, 21,44 ° C. Felkérjük Önt, hogy határozza meg a fém fajlagos hőjét, feltételezve, hogy a kaloriméter nem vesz fel hőt.

Megoldás

Ebben a helyzetben a fém hőt ad ki, amelyet Q- _nek hívunk , és előjele (-) helyezzük a veszteséget:

A kaloriméterben található víz viszont elnyeli a hőt, amelyet Q elnyeléssel jelölnek:

Az energia megtakarított, ebből az következik, hogy:

Az állításból kiszámíthatja ΔT:

Fontos: az 1 ºC-os méret megegyezik az 1 kelvin méretével. A két skála közötti különbség az, hogy a Kelvin-skála abszolút (a Kelvin-fokok mindig pozitívak).

A víz fajlagos hője 20ºC-on 4186 J / kg. K és ezzel az abszorbeált hő kiszámítható:

Összegezve: a fém fajlagos hőjét megtisztítják:

Irodalom

1. Bauer, W. 2011. Fizika a mérnöki és tudományos munkához. 1. kötet. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Fizika II: Kompetenciák megközelítése. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pillantás a világra. 6 ^ta Szerkesztés rövidítve. Cengage tanulás.
4. Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fizika: Fogalmak és alkalmazások. 7. kiadás. Mcgraw-hegy