• Pentru a lega transferul de căldură de schimbarea temperaturii.
  • Memorați ecuațiile de temperatură pentru conversiile Celsius, Fahrenheit și Kelvin.
  • Înțelegeți cum poate varia temperatura corpului.

Conceptul de temperatură vă poate părea familiar, dar mulți oameni confundă temperatura cu căldura. Temperatura este o măsură a cât de fierbinte sau rece este un obiect față de un alt obiect (conținutul său de energie termică), în timp ce căldura este fluxul de energie termică între obiecte cu temperaturi diferite. Când atingem un obiect fierbinte, energia curge de la obiectul fierbinte în degetele noastre și percepem că energia primită ca obiectul este „fierbinte”. În schimb, când ținem un cub de gheață în palme, energia curge din mâna noastră în cubul de gheață și percepem această pierdere de energie ca fiind „rece”. În ambele cazuri, temperatura obiectului este diferită de temperatura mâinii noastre, deci putem concluziona că diferențele de temperatură sunt cauza finală a transferului de căldură.

Scale de temperatură

Temperatura este o măsură a cantității medii de energie de mișcare sau energie cinetică pe care o conține un sistem. Temperaturile sunt exprimate folosind scale care utilizează unități numite grade. Există trei scale utilizate pentru raportarea temperaturilor. Figura \ (\ PageIndex \) compară cele trei scale de temperatură: Fahrenheit (exprimat ca ° F), Celsius (° C) și Kelvin (K). Termometrele măsoară temperatura utilizând materiale care se extind sau se contractă atunci când sunt încălzite sau răcite. Termometrele cu mercur sau alcool, de exemplu, au un rezervor de lichid care se extinde atunci când este încălzit și se contractă când este răcit, astfel încât coloana de lichid se prelungește sau se scurtează pe măsură ce temperatura lichidului se schimbă.

temperatură

Figura \ (\ PageIndex \): temperaturi Fahrenheit, Celsius și Kelvin. O comparație a celor trei scale de temperatură. Aceste termometre au un lichid de culoare roșie care conține alcool și coloranți alimentari. Termometrele cu aspect de argint conțin mercur, care este o neurotoxină.

În Statele Unite, scara de temperatură frecvent utilizată este scara Fahrenheit (simbolizată cu ° F și vorbită ca „grade Fahrenheit”). Pe această scară, punctul de îngheț al apei lichide (temperatura la care apa lichidă se transformă în gheață solidă) este de 32 ° F, iar punctul de fierbere al apei (temperatura la care apa lichidă se transformă în abur) este de 212 ° F.

Știința folosește și alte scale pentru a exprima temperatura. De exemplu, scara Celsius (simbolizată cu ° C și vorbită ca „grade Celsius”) definește 0 ° C ca punctul de îngheț al apei și 100 ° C ca punctul de fierbere al apei. Această scară este împărțită în 100 de diviziuni între aceste două repere și se extinde și mai sus și mai jos. Prin compararea scalelor Fahrenheit și Celsius, se poate determina o conversie între cele două scale:

Rețineți că știința folosește aproape exclusiv scalele Celsius și Kelvin; practic niciun chimist practicant nu exprimă temperaturile măsurate în laborator cu scara Fahrenheit. (De fapt, Statele Unite sunt una dintre puținele țări din lume care încă utilizează scara Fahrenheit zilnic. Persoanele care conduc în apropierea granițelor Canadei sau Mexicului pot prelua posturi de radio locale de cealaltă parte a frontierei care exprimați vremea zilnică în grade Celsius, așa că nu vă lăsați confundați de rapoartele lor meteo.)

Exemplu \ (\ PageIndex \): conversii

  1. Ce este 98.6 ° F în Celsius?
  2. Ce este 25.0 ° C în grade Fahrenheit?

Soluţie

Folosind Ecuația \ ref, avem

Folosind Ecuația \ ref, avem

Pentru mai multe exemple despre cum să efectuați aceste tipuri de probleme, faceți clic pe acest videoclip pentru a vă vedea profesorul în acțiune.

  1. Convertiți 0 ° F în Celsius.
  2. Convertiți 212 ° C în grade Fahrenheit.
Răspundeți la a

Unitatea fundamentală de temperatură în SI este Kelvin (K). Scala de temperatură Kelvin (rețineți că numele scalei scrie cu majusculă cuvântul Kelvin, dar unitatea în sine este cu litere mici) folosește grade care au aceeași dimensiune cu gradul Celsius, dar scara numerică este deplasată cu 273,15 unități. Adică, conversia între scalele Kelvin și Celsius este după cum urmează:

În majoritatea scopurilor, este acceptabil să folosiți 273 în loc de 273,15 în ecuația \ ref.

Rețineți că scara Kelvin nu folosește cuvântul grade; o temperatură de 295 K se vorbește ca „două sute nouăzeci și cinci de kelvin” și nu „două sute nouăzeci și cinci de grade Kelvin”.

Motivul pentru care scara Kelvin este definită astfel este că există o temperatură minimă posibilă numită zero absolut (zero Kelvin). Scara de temperatură Kelvin este setată astfel încât 0 K să fie zero absolut, iar temperatura să fie numărată în sus de acolo. Temperatura normală a camerei este de aproximativ 295 K, așa cum se vede în exemplul următor.

Exemplu \ (\ PageIndex \): temperatura camerei

Dacă temperatura normală a camerei este de 72,0 ° F, care este temperatura camerei în grade Celsius și kelvin?

Soluţie

În primul rând, folosim ecuația \ ref pentru a determina temperatura în grade Celsius:

Apoi folosim ecuația \ ref pentru a determina temperatura în scara Kelvin:

Deci, temperatura camerei este de aproximativ 295 K.

Sănătate Aplicare: temperatura corpului

Temperatura normală a corpului este definită ca fiind de +/- 1,0 ° F (98,6 ° F). Pentru a determina temperatura corpului, termometrele pot fi plasate în interiorul sau pe suprafața corpului. Cele mai bune două metode de obținere a temperaturii corpului sunt plasarea termometrului fie sub limbă, fie în interiorul rectului. De obicei, copiii sunt capabili să țină un termometru în gură în jurul vârstei de patru ani (distrează-te înainte de acea vârstă).

Febra este definită ca temperatura corpului fiind peste 100 ° F (adulți). Maxima și 104 ° F. Pentru adulți, acești adulți trebuie să solicite imediat asistență medicală dacă febra depășește 104 ° F. Pentru copii, aceste valori sunt mult mai mici.

Hipertermia (incapacitatea organismului de a regla căldura) apare atunci când se depășește temperatura normală a corpului. Condițiile care pot provoca hipertermie sunt febră (infecție), accident vascular cerebral de căldură, tulburări tiroidiene, infarct sau leziuni traumatice. Medicamentele pentru pacienții cu cancer, artrită și tiroidă pot determina creșterea temperaturii corpului. Simptomele hipertermiei includ transpirație, confuzie, greață și amețeli.

Hipotermia (expunerea la medii reci) apare atunci când temperatura normală a corpului scade sub 95,0 ° F. Când se întâmplă acest lucru, persoana (persoanele) afectată (e) trebuie să solicite asistență medicală imediată. În timpul hipotermiei, organismul are probleme cu producerea căldurii. Condițiile medicale precum diabetul, infecția și disfuncția tiroidiană pot provoca hipotermie. Urmăriți acest videoclip cu pușcașii marini americani care încearcă să supraviețuiască mediilor extreme. Simptomele acestei afecțiuni implică fiori, confuzie și comportament lent.

Tratarea hipertermiei ar putea implica hidratarea unui pacient. Dacă febra se datorează infecției, analgezicele (cum ar fi Tylenol, Advil, aspirina sau Aleve) pot ajuta la atenuarea febrei. Plasarea cuiva într-o baie răcoroasă poate ameliora simptomele.

Pentru a combate hipotermia, trebuie să îndepărtați îmbrăcămintea umedă, să vă adresați materialelor calde și să participați la mișcarea fizică.

Transfer de căldură

Căldura este o manifestare familiară a energiei. Când atingem un obiect fierbinte, energia curge de la obiectul fierbinte în degetele noastre și percepem că energia primită ca obiectul este „fierbinte”. În schimb, când ținem un cub de gheață în palme, energia curge din mâna noastră în cubul de gheață și percepem această pierdere de energie ca fiind „rece”. În ambele cazuri, temperatura obiectului este diferită de temperatura mâinii noastre, deci putem concluziona că diferențele de temperatură sunt cauza finală a transferului de căldură.

Să presupunem că luăm în considerare transferul de căldură din perspectiva opusă - și anume, ce se întâmplă cu un sistem care câștigă sau pierde căldură? În general, temperatura sistemului se schimbă. (Vom aborda câteva excepții mai târziu.) Cu cât diferența inițială de temperatură este mai mare, cu atât este mai mare transferul de căldură și cu atât este mai mare schimbarea de temperatură finală. Relația dintre cantitatea de căldură transferată și schimbarea temperaturii poate fi scrisă ca

unde ∝ înseamnă „este proporțional cu” și ΔT este modificarea temperaturii sistemului. Orice modificare a unei variabile este întotdeauna definită ca „valoarea finală minus valoarea inițială” a variabilei, deci ΔT este Tfinal - Tinitial. În plus, cu cât masa unui obiect este mai mare, cu atât este necesară mai multă căldură pentru a-i modifica temperatura. Putem include o variabilă reprezentând masa (m) la proporționalitate după cum urmează:

Pentru a schimba această proporționalitate într-o egalitate, includem o constantă de proporționalitate. Constanta de proporționalitate se numește căldură specifică și este simbolizată în mod obișnuit cu \ (c \):

Fiecare substanță are o caracteristică căldura specifică, care este raportat în unități de cal/g • ° C sau cal/g • K, în funcție de unitățile utilizate pentru a exprima ΔT. Căldura specifică a unei substanțe este cantitatea de energie care trebuie transferată către sau de la 1 g din substanța respectivă pentru a-și modifica temperatura cu 1 °. Tabelul \ (\ PageIndex \) listează căldurile specifice pentru diferite materiale.

Tabel \ (\ PageIndex \): Încălziri specifice substanțelor selectate Substanţăc (cal/g • ° C)
aluminiu (Al) 0,215
oxid de aluminiu (Al2O3) 0,305
benzen (C6H6) 0,251
cupru (Cu) 0,092
etanol (C2H6O) 0,578
hexan (C6H14) 0,394
hidrogen (H2) 3.419 este cel mai frecvent
gheață [H2O (s)] 0,492
fier (Fe) 0,108
oxid de fier (III) (Fe2O3) 0,156
mercur (Hg) 0,033
oxigen (O2) 0,219
clorură de sodiu (NaCI) 0,207
abur [H2O (g)] 0,488
apă [H2O (ℓ)] 1,00

Constanta de proporționalitate c este uneori denumită capacitatea de căldură specifică sau (incorect) capacitatea de căldură.

Direcția fluxului de căldură nu este prezentată în căldură = mcΔT. Dacă energia intră într-un obiect, energia totală a obiectului crește, iar valorile căldurii ΔT sunt pozitive. Dacă energia iese dintr-un obiect, energia totală a obiectului scade, iar valorile căldurii și ΔT sunt negative.

Ce cantitate de căldură este transferată atunci când un bloc de fier metalic de 150,0 g este încălzit de la 25,0 ° C la 73,3 ° C? Care este direcția fluxului de căldură?

Soluţie

Putem folosi căldura = mcΔT pentru a determina cantitatea de căldură, dar mai întâi trebuie să determinăm ΔT. Deoarece temperatura finală a fierului este de 73,3 ° C și temperatura inițială este de 25,0 ° C, ΔT este după cum urmează:

Masa este dată ca 150,0 g, iar Tabelul \ (\ PageIndex \) dă căldura specifică fierului ca 0,108 cal/g • ° C. Înlocuiți valorile cunoscute în căldură = mcΔT și rezolvați cantitatea de căldură:

Rețineți cum unitățile de gram și ° C se anulează algebric, lăsând doar unitatea de calorii, care este o unitate de căldură. Deoarece temperatura fierului crește, energia (ca căldura) trebuie să curgă în metal.

Ce cantitate de căldură este transferată atunci când un bloc de aluminiu metalic de 295,5 g este răcit de la 128,0 ° C la 22,5 ° C? Care este direcția fluxului de căldură?

O probă de 10,3 g dintr-un metal maro-roșcat a dat 71,7 cal de căldură, deoarece temperatura sa a scăzut de la 97,5 ° C la 22,0 ° C. Care este căldura specifică a metalului? Puteți identifica metalul din datele din tabelul \ (\ PageIndex \)?

Soluţie

Întrebarea ne oferă căldura, temperaturile finale și inițiale și masa probei. Valoarea lui ΔT este următoarea:

Dacă eșantionul dă 71,7 cal, pierde energie (ca căldură), deci valoarea căldurii este scrisă ca număr negativ, −71,7 cal. Înlocuiți valorile cunoscute în căldură = mcΔT și rezolvați pentru c:

Această valoare pentru căldura specifică este foarte apropiată de cea dată pentru cupru în tabelul \ (\ PageIndex \).

Un cristal de 10,7 g clorură de sodiu (NaCI) a avut o temperatură inițială de 37,0 ° C. Care este temperatura finală a cristalului dacă i-au fost furnizați 147 cal de căldură?

Observați că apa are o căldură specifică foarte mare în comparație cu majoritatea celorlalte substanțe. Apa este folosită în mod obișnuit ca agent de răcire pentru mașini, deoarece este capabilă să absoarbă cantități mari de căldură (vezi tabelul de mai sus). Climele de coastă sunt mult mai moderate decât cele din interior datorită prezenței oceanului. Apa din lacuri sau oceane absoarbe căldura din aer în zilele toride și o eliberează înapoi în aer în zilele răcoroase.

Figura \ (\ PageIndex \): Această centrală electrică din Virginia de Vest, ca multe altele, este situată lângă un lac mare, astfel încât apa din lac să poată fi folosită ca agent de răcire. Apa rece din lac este pompată în plantă, în timp ce apa mai caldă este pompată din plantă și înapoi în lac.

rezumat

  • Transferul de căldură este legat de schimbarea temperaturii.
  • Căldura specifică a unei substanțe este cantitatea de energie necesară pentru a crește temperatura de 1 gram din substanță cu \ (1 ^ \ text \ text \).

Exercițiu de revizuire a conceptelor

1. Descrieți relația dintre transferul de căldură și schimbarea temperaturii unui obiect.

2. Descrieți ce se întâmplă atunci când două obiecte care au temperaturi diferite intră în contact unul cu celălalt.

Răspuns

1. Căldura este egală cu produsul masei, modificarea temperaturii și o constantă de proporționalitate numită căldură specifică.

2. Temperatura obiectului fierbinte scade și temperatura obiectului rece crește pe măsură ce căldura este transferată de la obiectul fierbinte la obiectul rece. Modificarea temperaturii fiecăruia depinde de identitatea și proprietățile fiecărei substanțe.

Exerciții

1. Punctul de topire al mercurului este −38,84 o C. Convertiți această valoare în grade Fahrenheit și Kelvin.

2. O oală cu apă este așezată pe un arzător fierbinte al unui aragaz. Care este direcția fluxului de căldură?

3. La o oală cu apă clocotită se adaugă niște macaroane nefierte. Care este direcția fluxului de căldură?

4. Câtă energie este necesară în calorii pentru a încălzi 150 g de H2O de la 0 ° C la 100 ° C?

5. Câtă energie este necesară în calorii pentru a încălzi 125 g de Fe de la 25 ° C la 150 ° C?

6. Dacă s-au adăugat 250 cal de căldură la 43,8 g de Al la 22,5 ° C, care este temperatura finală a aluminiului?

7. Dacă s-au adăugat 195 cal de căldură la 33,2 g de Hg la 56,2 ° C, care este temperatura finală a mercurului?

8. O probă de cupru absoarbe 145 cal de energie, iar temperatura sa crește de la 37,8 ° C la 41,7 ° C. Care este masa cuprului?

9. Un mare cristal unic de clorură de sodiu absoarbe 98,0 cal de căldură. Dacă temperatura sa crește de la 22,0 ° C la 29,7 ° C, care este masa cristalului de NaCl?

10. Dacă 1,00 g din fiecare substanță din tabelul 7.3 ar absorbi 100 cal de căldură, care substanță ar experimenta cea mai mare schimbare de temperatură?

11. Dacă 1,00 g din fiecare substanță din tabelul 7.3 ar absorbi 100 cal de căldură, care substanță ar avea cea mai mică schimbare de temperatură?

12. Determinați capacitatea de căldură a unei substanțe dacă 23,6 g din substanță degajă 199 cal de căldură atunci când temperatura acesteia se schimbă de la 37,9 ° C la 20,9 ° C.

13. Care este capacitatea termică a aurului dacă o probă de 250 g are nevoie de 133 cal de energie pentru a-și crește temperatura de la 23,0 ° C la 40,1 ° C?