University Physics Volume 2 1.4 Transfer de căldură, căldură specifică și calorimetrie

căldură

Cuprins

Cuprins

1 Temperatură și căldură

  1. Introducere
  2. 1.1 Temperatura și echilibrul termic
  3. 1.2 Termometre și scale de temperatură
  4. 1.3 Extinderea termică
  5. 1.4 Transfer de căldură, căldură specifică și calorimetrie
  6. 1.5 Modificări de fază
  7. 1.6 Mecanisme de transfer de căldură
  1. Termeni cheie
  2. Ecuații cheie
  3. rezumat
  4. Întrebări conceptuale
  5. Probleme
  6. Probleme suplimentare
  7. Probleme de provocare

  • 2 Teoria cinetică a gazelor

    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 3 Prima lege a termodinamicii

    1. Introducere
    2. 3.1 Sisteme termodinamice
    3. 3.2 Muncă, căldură și energie internă
    4. 3.3 Prima lege a termodinamicii
    5. 3.4 Procese termodinamice
    6. 3.5 Capacități termice ale unui gaz ideal
    7. 3.6 Procese adiabatice pentru un gaz ideal
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 4 A doua lege a termodinamicii

    1. Introducere
    2. 4.1 Procese reversibile și ireversibile
    3. 4.2 Motoare termice
    4. 4.3 Frigidere și pompe de căldură
    5. 4.4 Afirmații ale celei de-a doua legi a termodinamicii
    6. 4.5 Ciclul Carnot
    7. 4.6 Entropie
    8. 4.7 Entropie pe o scară microscopică
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • Electricitate și magnetism

    5 Încărcări electrice și câmpuri

    1. Introducere
    2. 5.1 Încărcare electrică
    3. 5.2 Conductori, izolatori și încărcare prin inducție
    4. 5.3 Legea lui Coulomb
    5. 5.4 Câmp electric
    6. 5.5 Calculul câmpurilor electrice ale distribuțiilor de încărcare
    7. 5.6 Linii de câmp electric
    8. 5.7 Dipoli electrici
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 7 Potențial electric

    1. Introducere
    2. 7.1 Energie potențială electrică
    3. 7.2 Potențial electric și diferența de potențial
    4. 7.3 Calcule ale potențialului electric
    5. 7.4 Determinarea câmpului din potențial
    6. 7.5 Suprafețe și conductori echipotențiali
    7. 7.6 Aplicații electrostatice
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare
    1. Introducere
    2. 8.1 Condensatoare și capacitate
    3. 8.2 Condensatoare în serie și în paralel
    4. 8.3 Energie stocată într-un condensator
    5. 8.4 Condensator cu dielectric
    6. 8.5 Modelul molecular al unui dielectric
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 9 Curent și rezistență

    1. Introducere
    2. 9.1 Curent electric
    3. 9.2 Model de conducere în metale
    4. 9.3 Rezistivitate și rezistență
    5. 9.4 Legea lui Ohm
    6. 9.5 Energie electrică și energie
    7. 9.6 Superconductori
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 10 circuite de curent continuu

    1. Introducere
    2. 10.1 Forța electromotivă
    3. 10.2 Rezistoare în serie și paralele
    4. 10.3 Regulile lui Kirchhoff
    5. 10.4 Instrumente electrice de măsurare
    6. 10.5 Circuite RC
    7. 10.6 Cablarea gospodăriei și siguranța electrică
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 11 Forțe și câmpuri magnetice

    1. Introducere
    2. 11.1 Magnetismul și descoperirile sale istorice
    3. 11.2 Câmpuri și linii magnetice
    4. 11.3 Mișcarea unei particule încărcate într-un câmp magnetic
    5. 11.4 Forța magnetică asupra unui conductor care transportă curent
    6. 11.5 Forța și cuplul pe o buclă curentă
    7. 11.6 Efectul Hall
    8. 11.7 Aplicații ale forțelor și câmpurilor magnetice
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 12 Surse de câmpuri magnetice

    1. Introducere
    2. 12.1 Legea Biot-Savart
    3. 12.2 Câmp magnetic datorită unui fir drept subțire
    4. 12.3 Forța magnetică între doi curenți paraleli
    5. 12.4 Câmpul magnetic al unei bucle de curent
    6. 12.5 Legea lui Ampère
    7. 12.6 Solenoizi și toroizi
    8. 12.7 Magnetismul în materie
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 13 Inducție electromagnetică

    1. Introducere
    2. 13.1 Legea Faraday
    3. 13.2 Legea lui Lenz
    4. 13.3 Emf
    5. 13.4 Câmpuri electrice induse
    6. 13.5 Curenți Eddy
    7. 13.6 Generatoare electrice și emf
    8. 13.7 Aplicații ale inducției electromagnetice
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare
    1. Introducere
    2. 14.1 Inductivitate reciprocă
    3. 14.2 Autoinductanță și inductori
    4. 14.3 Energia într-un câmp magnetic
    5. 14.4 Circuite RL
    6. 14.5 Oscilații într-un circuit LC
    7. 14.6 Circuite din seria RLC
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 15 circuite de curent alternativ

    1. Introducere
    2. 15.1 Surse de curent alternativ
    3. 15.2 Circuite simple de curent alternativ
    4. 15.3 Circuite din seria RLC cu curent alternativ
    5. 15.4 Puterea într-un circuit de curent alternativ
    6. 15.5 Rezonanță într-un circuit de curent alternativ
    7. 15.6 Transformatoare

    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare

  • 16 Valuri electromagnetice

    1. Introducere
    2. 16.1 Ecuațiile lui Maxwell și unde electromagnetice
    3. 16.2 Valuri electromagnetice plane
    4. 16.3 Energia transportată de unde electromagnetice
    5. 16.4 Momentul și presiunea radiației
    6. 16.5 Spectrul electromagnetic
    1. Termeni cheie
    2. Ecuații cheie
    3. rezumat
    4. Întrebări conceptuale
    5. Probleme
    6. Probleme suplimentare
    7. Probleme de provocare
  • A | Unități
  • B | Factori de conversie
  • C | Constante fundamentale
  • D | Date astronomice
  • E | Formule matematice
  • F | Chimie
  • G | Alfabetul grecesc
    1. Capitolul 1
    2. capitolul 2
    3. capitolul 3
    4. capitolul 4
    5. capitolul 5
    6. Capitolul 6
    7. Capitolul 7
    8. Capitolul 8
    9. Capitolul 9
    10. Capitolul 10
    11. Capitolul 11
    12. Capitolul 12
    13. Capitolul 13
    14. Capitolul 14
    15. Capitolul 15
    16. Capitolul 16
  • Index

    • obiective de invatare

    Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

    • Explicați fenomenele care implică căldura ca formă de transfer de energie
    • Rezolvați problemele care implică transferul de căldură

    Am văzut în capitolele anterioare că energia este unul dintre conceptele fundamentale ale fizicii. Căldură este un tip de transfer de energie care este cauzat de o diferență de temperatură și poate schimba temperatura unui obiect. După cum am aflat mai devreme în acest capitol, transferul de căldură este mișcarea energiei dintr-un loc sau material în altul ca urmare a unei diferențe de temperatură. Transferul de căldură este fundamental pentru activități de zi cu zi precum încălzirea și gătitul casei, precum și pentru multe procese industriale. De asemenea, formează o bază pentru subiectele din restul acestui capitol.

    De asemenea, introducem conceptul de energie internă, care poate fi mărită sau scăzută prin transferul de căldură. Discutăm un alt mod de a schimba energia internă a unui sistem, și anume de a lucra la el. Astfel, suntem începutul studiului relației dintre căldură și muncă, care stă la baza motoarelor și frigiderelor și subiectul central (și originea numelui) al termodinamicii.

    Energie internă și căldură

    Un sistem termic are energie internă (numită și energie termică), care este suma energiilor mecanice ale moleculelor sale. Energia internă a unui sistem este proporțională cu temperatura sa. Așa cum am văzut mai devreme în acest capitol, dacă două obiecte la temperaturi diferite sunt aduse în contact unul cu celălalt, energia este transferată de la obiectul mai fierbinte la cel mai rece până când corpurile ating echilibrul termic (adică sunt la aceeași temperatură). Nici o lucrare nu este efectuată de niciun obiect, deoarece nici o forță nu acționează la distanță (așa cum am discutat în Muncă și energie cinetică). Aceste observații arată că căldura este energie transferată spontan datorită unei diferențe de temperatură. Figura 1.9 prezintă un exemplu de transfer de căldură.

    Înțelesul „căldurii” în fizică este diferit de sensul său obișnuit. De exemplu, în conversație, putem spune „căldura a fost insuportabilă”, dar în fizică, am spune că temperatura a fost ridicată. Căldura este o formă a fluxului de energie, în timp ce temperatura nu. De altfel, oamenii sunt mai degrabă sensibili la fluxul de căldură decât la temperatură.

    Echivalent mecanic al căldurii

    De asemenea, este posibil să se schimbe temperatura unei substanțe făcând o muncă, care transferă energie în sau din sistem. Această realizare a ajutat la stabilirea faptului că căldura este o formă de energie. James Prescott Joule (1818–1889) a efectuat numeroase experimente pentru a stabili echivalentul mecanic al căldurii - lucrarea necesară pentru a produce aceleași efecte ca și transferul de căldură. În unitățile utilizate pentru aceste două cantități, valoarea acestei echivalențe este

    Considerăm că această ecuație reprezintă conversia dintre două unități de energie. (Alte numere pe care le puteți vedea se referă la calorii definite pentru intervale de temperatură diferite de 14,5 ° C 14,5 ° C până la 15,5 ° C 15,5 ° C.)

    Figura 1.10 prezintă una dintre cele mai faimoase setări experimentale ale lui Joule pentru a demonstra că munca și căldura pot produce aceleași efecte și măsurarea echivalentului mecanic al căldurii. A contribuit la stabilirea principiului conservării energiei. Energia potențială gravitațională (U) a fost transformată în energie cinetică (K) și apoi randomizată prin vâscozitate și turbulență în energie cinetică medie crescută a atomilor și moleculelor din sistem, producând o creștere a temperaturii. Contribuțiile lui Joule la termodinamică au fost atât de semnificative încât unitatea SI de energie a fost numită după el.

    Creșterea energiei interne prin transfer de căldură dă același rezultat ca și creșterea acesteia făcând muncă. Prin urmare, deși un sistem are o energie internă bine definită, nu putem spune că are un anumit „conținut de căldură” sau „conținut de lucru”. O cantitate bine definită care depinde doar de starea curentă a sistemului, mai degrabă decât de istoria sistemului respectiv, este cunoscută ca o variabilă de stare. Temperatura și energia internă sunt variabile de stare. Pentru a rezuma acest paragraf, căldura și munca nu sunt variabile de stare.

    De altfel, creșterea energiei interne a unui sistem nu crește neapărat temperatura acestuia. După cum vom vedea în secțiunea următoare, temperatura nu se schimbă atunci când o substanță se schimbă de la o fază la alta. Un exemplu este topirea gheții, care poate fi realizată prin adăugarea de căldură sau prin efectuarea unor lucrări de frecare, ca atunci când un cub de gheață este frecat pe o suprafață aspră.

    Schimbarea temperaturii și capacitatea de căldură

    Am observat că transferul de căldură determină adesea schimbarea temperaturii. Experimentele arată că, fără schimbări de fază și fără lucrări efectuate pe sau de către sistem, căldura transferată este de obicei direct proporțională cu schimbarea de temperatură și cu masa sistemului, cu o bună aproximare. (Mai jos arătăm cum să gestionăm situațiile în care aproximarea nu este validă.) Constanta proporționalității depinde de substanță și de faza acesteia, care poate fi gazoasă, lichidă sau solidă. Omitem discuția despre faza a patra, plasma, deoarece, deși este cea mai comună fază din univers, este rară și de scurtă durată pe Pământ.

    Transferul de căldură și schimbarea temperaturii

    O aproximare practică pentru relația dintre transferul de căldură și schimbarea temperaturii este:

    Valorile căldurii specifice trebuie în general măsurate, deoarece nu există o modalitate simplă de a le calcula cu precizie. Tabelul 1.3 prezintă valorile reprezentative ale căldurii specifice pentru diferite substanțe. Vedem din acest tabel că căldura specifică a apei este de cinci ori mai mare decât cea a sticlei și de 10 ori cea a fierului, ceea ce înseamnă că este nevoie de cinci ori mai multă căldură pentru a crește temperatura apei o cantitate dată decât pentru sticlă și de 10 ori cât și pentru fier. De fapt, apa are una dintre cele mai mari călduri specifice din orice material, care este importantă pentru susținerea vieții pe Pământ.

    Căldurile specifice gazelor depind de ceea ce este menținut constant în timpul încălzirii - de obicei fie volumul, fie presiunea. În tabel, prima valoare specifică a căldurii pentru fiecare gaz se măsoară la volum constant, iar a doua (între paranteze) se măsoară la presiune constantă. Vom reveni la acest subiect în capitolul despre teoria cinetică a gazelor.

    În general, căldura specifică depinde și de temperatură. Astfel, o definiție precisă a lui c pentru o substanță trebuie dată în termeni de modificare infinitesimală a temperaturii. Pentru a face acest lucru, observăm că c = 1 m Δ Q Δ T c = 1 m Δ Q Δ T și înlocuim Δ Δ cu d:

    Cu excepția gazelor, dependența de temperatură și volum a căldurii specifice a majorității substanțelor este slabă la temperaturi normale. Prin urmare, vom lua în general călduri specifice pentru a fi constante la valorile date în tabel.

    Exemplul 1.5

    Calculul căldurii necesare

    Strategie

    Soluţie

    Semnificaţie

    Exemplul 1.6 ilustrează o creștere a temperaturii cauzată de lucrul. (Rezultatul este același ca și când s-ar fi adăugat aceeași cantitate de energie cu o suflantă în loc de mecanic.)

    Exemplul 1.6

    Calculul creșterii temperaturii de la lucrările efectuate pe o substanță

    Strategie

    Soluţie

    Deoarece energia cinetică a camionului nu se schimbă, conservarea energiei ne spune că energia potențială pierdută este disipată și presupunem că 10% din aceasta este transferată la energia internă a frânelor, deci luați Q = M gh/10 Q = M gh/10. Apoi calculăm schimbarea temperaturii de la căldura transferată, folosind

    unde m este masa materialului de frână. Introduceți valorile date pentru a găsi

    Semnificaţie

    Într-un tip comun de probleme, obiectele la temperaturi diferite sunt puse în contact unul cu celălalt, dar izolate de orice altceva și li se permite să intre în echilibru. Un container care împiedică transferul de căldură în interior sau în exterior se numește calorimetru, iar utilizarea unui calorimetru pentru a face măsurători (de obicei de căldură sau capacitate specifică de căldură) se numește calorimetrie .

    Vom folosi termenul „problemă calorimetrică” pentru a ne referi la orice problemă în care obiectele în cauză sunt izolate termic de împrejurimile lor. O idee importantă în rezolvarea problemelor calorimetrice este că în timpul unui transfer de căldură între obiecte izolate din împrejurimile lor, căldura obținută de obiectul mai rece trebuie să fie egală cu căldura pierdută de obiectul mai fierbinte, datorită conservării energiei:

    Exprimăm această idee scriind că suma încălzirilor este egală cu zero, deoarece căldura câștigată este de obicei considerată pozitivă; căldura pierdută, negativă.

    Exemplul 1.7

    Calculul temperaturii finale în calorimetrie

    Strategie

    Soluţie

    Semnificaţie

    Dacă este necesară 25 kJ pentru a crește temperatura unei roci de la 25 ° C la 30 ° C, de la 25 ° C la 30 ° C, câtă căldură este necesară pentru a încălzi roca de la 45 ° C la 50 ° C 45 ° C la 50 ° C ?

    Exemplul 1.8

    Capacitate de căldură dependentă de temperatură

    Soluţie

    Rezolvăm această ecuație pentru Q prin integrarea ambelor părți: Q = m ∫ T 1 T 2 c d T. Q = m ∫ T 1 T 2 c d T .

    Apoi înlocuim valorile date și evaluăm integralul:

    Semnificaţie

    Ca asociat Amazon, câștigăm din achizițiile eligibile.

    Doriți să citați, să distribuiți sau să modificați această carte? Această carte este Creative Commons Attribution License 4.0 și trebuie să atribui OpenStax.

    Informații de atribuire

      Dacă redistribuiți integral sau parțial această carte într-un format tipărit, atunci trebuie să includeți pe fiecare pagină fizică următoarea atribuire: