ÉRZÉKENY HŐ: KONCEPCIÓ, KÉPLETEK ÉS MEGOLDOTT FELADATOK - FIZIKAI - 2026

Az ésszerű hő az a hőenergia, amelyet az objektum szállít annak hőmérsékletének emelkedésével. Ez ellentétes a látens hővel, amelyben a hőenergia nem növeli a hőmérsékletet, hanem elősegíti a fázisváltást, például szilárdról folyadékra.

Egy példa tisztázza a koncepciót. Tegyük fel, hogy van egy edényünk víz 20 ° C-os szobahőmérsékleten. Ha a tűzhelyre helyezzük, a szolgáltatott hő lassan megemeli a víz hőmérsékletét, amíg el nem éri a 100 ° C-ot (a víz forráspontja a tenger szintjén). A szolgáltatott hőt érzékeny hőnek nevezzük.

A kezét melegítő hő ésszerű hő. Forrás: Pixabay

Amint a víz eléri a forráspontot, az égő által szolgáltatott hő már nem növeli a víz hőmérsékletét, amely 100 ° C-on marad. Ebben az esetben a hőenergiát a víz elpárologtatásába fordítják. A szolgáltatott hő látens, mert nem emeli a hőmérsékletet, hanem a folyadékfázisról a gázfázisra vált.

Kísérleti tény, hogy a hőmérséklet bizonyos változásának eléréséhez szükséges ésszerű hő közvetlenül arányos azzal a változással és a tárgy tömegével.

Fogalom és képletek

Megfigyelték, hogy a tömeg és a hőmérsékleti különbség mellett az érzékeny hő az anyagtól is függ. Ezért az érzékeny hő, valamint a tömeg- és hőmérsékleti különbség szorzata közötti arányosság állandóját fajlagos hőnek nevezzük.

Az ésszerű hőmennyiség attól is függ, hogy a folyamat hogyan történik. Például eltérő, ha a folyamatot állandó térfogaton hajtják végre, mint állandó nyomáson.

Az izobár folyamatban, azaz állandó nyomáson az érzékeny hőre vonatkozó képlet a következő:

Q = cp. m (T f - T i)

A fenti egyenletben Q jelentése a érzékelhető hőt szolgáltatott az objektum m tömegű, ami emelte a kezdeti hőmérséklete T _i, hogy a végső érték Tf. Az előző egyenletben szintén megjelenik cp, amely az anyag fajlagos hője állandó nyomáson, mivel az eljárást ilyen módon hajtottuk végre.

Vegye figyelembe azt is, hogy az érzékeny hő akkor pozitív, ha azt a tárgy elnyeli, és a hőmérséklet emelkedését okozza.

Abban az esetben, ha a hőt egy merev tartályba zárt gáz szállítja, akkor az eljárás izokorikus, azaz állandó térfogatú; és az érzékeny hőképletet így írják:

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

Az adiabatikus együttható γ

Ugyanazon anyag vagy anyag állandó nyomáson fellépő fajlagos hő és állandó térfogatú hő közötti hányadosát adiabatikus együtthatónak nevezzük, amelyet általában a görög γ betű jelöl.

Az adiabatikus együttható nagyobb, mint az egység. Az egy grammos test hőmérsékletének egy fokkal történő megemeléséhez szükséges hő nagyobb izobár folyamatban, mint egy izokróros folyamatban.

Ennek oka az, hogy az első esetben a hő egy részét mechanikai munka elvégzésére használják fel.

A fajlagos hőn kívül a test hőkapacitását is általában meghatározzák. Ez az a hőmennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy a test hőmérséklete egy Celsius fokos legyen.

Hőkapacitás C

A hőkapacitást C nagybetűvel, míg a fajlagos hőt kicsi c jelöli. A két mennyiség közötti kapcsolat:

C = c⋅ m

Ahol m a test tömege.

A moláris fajlagos hőt is használják, amelyet úgy határozunk meg, hogy ésszerű hőmennyiség szükséges ahhoz, hogy egy mól anyag hőmérséklete egy Celsius-fok vagy Kelvin fok legyen.

Fajlagos hő szilárd anyagokban, folyadékokban és gázokban

A legtöbb szilárd anyag moláris fajsúlyának R értéke közel háromszor van, ahol R az univerzális gázállandó. R = 8,314472 J / (mol *).

Például az alumínium mól fajlagos hője 24,2 J / (mol ℃), réz 24,5 J / (mol ℃), arany 25,4 J / (mol ℃) és lágy vas 25,1 J / (mol ℃). Vegye figyelembe, hogy ezek az értékek közel vannak a 3R = 24,9 J / (mol ℃) értékhez.

Ezzel szemben a legtöbb gáz esetében a mól fajlagos hő közel van n (R / 2) értékhez, ahol n jelentése egész szám, és R jelentése az univerzális gázállandó. Az n egész szám a molekulát alkotó molekula szabadságának számával függ össze.

Például egy monatómiai ideális gázban, amelynek molekulája csak a három transzlációs szabadsági fokával rendelkezik, a moláris fajlagos hő állandó térfogaton 3 (R / 2). De ha diatóm ideális gáz, akkor ezen kívül két forgási fok van, tehát cv = 5 (R / 2).

Ideális gázokban az állandó nyomás és az állandó térfogat közötti mól fajlagos hő és a következő kapcsolat áll fenn: cp = cv + R.

A víz külön említést érdemel. 25 ℃ hőmérsékleten folyékony állapotban a víz cp = 4,1813 J / (g ℃), a 100 Celsius fokos vízgőz cp = 2,080 J / (g ℃), a vízjég pedig nulla Celsius fok mellett cp = 2 050 J / (g *).

Különbség a látens hővel szemben

Az anyag három állapotban lehet: szilárd, folyékony és gáz. Az állapot megváltoztatásához energiára van szükség, de az egyes anyagok molekuláris és atomi jellemzői szerint eltérő módon reagál rá.

Amikor egy szilárd anyag olvad vagy folyadék párolog, a tárgy hőmérséklete állandó marad, amíg az összes részecske meg nem változtatja állapotát.

Ezért lehetséges, hogy egy anyag két fázisban van egyensúlyban: például szilárd - folyadék vagy folyékony - gőz. Egy anyagmennyiség átvihető egyik állapotból a másikba egy kis hő hozzáadásával vagy eltávolításával, miközben a hőmérséklet állandó marad.

Az anyaghoz juttatott hő miatt részecskék gyorsabban rezegnek és növelik kinetikus energiájukat. Ez a hőmérséklet emelkedéséhez vezet.

Lehetséges, hogy az általuk elsajátított energia olyan nagy, hogy már nem térnek vissza egyensúlyi helyzetükbe, és növekszik a köztük lévő elválasztás. Amikor ez megtörténik, a hőmérséklet nem emelkedik, de az anyag szilárd anyagból folyadékba vagy folyadékból gázba megy.

Az ehhez szükséges hőt látens hőnek nevezzük. Ezért a látens hő az a hő, amely által az anyag megváltoztathatja a fázist.

Itt van a különbség az ésszerű hővel. Az érzékeny hőt elnyelő anyag növeli a hőmérsékletét és ugyanabban az állapotban marad.

Hogyan lehet kiszámítani a látens hőt?

A látens hőt az alábbi egyenlettel kell kiszámítani:

Ahol L lehet a párologtatás fajlagos hője vagy a fúzió hője. Az L egységek energia / tömeg.

A tudósok számos nevet adtak hőnek, attól függően, hogy milyen reakcióban vesz részt. Így például a reakció hője, az égés hője, a megszilárdulás hője, az oldat hője, a szublimációs hő és még sok más.

Az ilyen típusú hőtípusok sokaságának értékei a tabulátorban vannak megadva.

Megoldott gyakorlatok

1. példa

Tegyük fel, hogy egy darabja alumíniuma tömege 3 kg. Kezdetben 20 ° C-on van, és a hőmérsékletet 100 ° C-ra szeretné emelni. Számítsa ki a szükséges ésszerű hőt.

Megoldás

Először ismernünk kell az alumínium fajlagos hőjét

cp = 0,897 J / (g ° C)

Ekkor az alumíniumdarab melegítéséhez szükséges hőmennyiség lesz

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

Q = 215 280 J

2. példa

Számítsa ki az 1 liter víz melegítéséhez szükséges hőmennyiséget 25 ° C-tól 100 ° C-ig tengerszint felett. Az eredményt kilokalorokban is kifejezzük.

Megoldás

Az első dolog, amit emlékezni kell arra, hogy 1 liter víz súlya 1 kg, azaz 1000 gramm.

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

A kalória egy energiaegység, amelyet úgy határozunk meg, hogy ésszerű hő szükséges ahhoz, hogy egy gramm vizet egy Celsius fokkal megemeljünk. Ezért 1 kalória megegyezik 4,1813 Joule-nal.

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

3. példa

Egy 360,16 grammos anyagot 37 ℃ és 140 ℃ közötti hőmérsékleten hevítünk. A szállított hőenergia 1150 kalória.

A minta melegítése. Forrás: saját készítésű.

Keresse meg az anyag fajlagos hőjét.

Megoldás

A fajlagos hőt az érzékeny hő, tömeg és hőmérséklet-változás függvényében írhatjuk a következő képlet szerint:

cp = Q / (m ΔT)

Az adatok helyébe a következő adatok állnak:

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

Mivel azonban egy kalória 4,1813 J-nak felel meg, az eredményt kifejezhetjük

cp = 0,130 J / (g ℃)

Irodalom

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6 ^-én. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pillantás a világra. 6 ^ta Szerkesztés rövidítve. Cengage tanulás. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: Fogalmak és alkalmazások. 7.. Felülvizsgált kiadás. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Egyetemi fizika a modern fizikával. 14 ^-én. Hang 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. A fizika alapjai. 9. ^na Cengage Learning. 362-374.