Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

  • Definiți căldura ca transfer de energie.

În capitolul Muncă, energie și resurse energetice, am definit munca ca forță ori distanță și am învățat că lucrarea efectuată asupra unui obiect își schimbă energia cinetică. De asemenea, am văzut în temperatură, teoria cinetică și legile gazelor că temperatura este proporțională cu energia cinetică (medie) a atomilor și moleculelor. Spunem că un sistem termic are o anumită energie internă: energia sa internă este mai mare dacă temperatura este mai mare. 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 se atinge echilibrul și corpurile ating echilibrul termic (adică sunt la aceeași temperatură). Niciun obiect nu se lucrează, deoarece nici o forță nu acționează la distanță. Transferul de energie este cauzat de diferența de temperatură și încetează odată ce temperaturile sunt egale. Aceste observații conduc la următoarea definiție a căldurii: Căldura este transferul spontan de energie datorită unei diferențe de temperatură.

După cum sa menționat în capitolul Temperatură, teoria cinetică și legile gazelor, căldura este adesea confundată cu temperatura. De exemplu, putem spune că căldura a fost insuportabilă, atunci când vrem să spunem că temperatura a fost ridicată. Căldura este o formă de energie, în timp ce temperatura nu. Concepția greșită apare deoarece suntem sensibili la fluxul de căldură, mai degrabă decât la temperatură.

Datorită faptului că căldura este o formă de energie, ea are unitatea SI de joule (J). Caloria (cal) este o unitate obișnuită de energie, definită ca energia necesară pentru a schimba temperatura de 1,00 g de apă cu 1,00 ° C - în mod specific, între 14,5 ° C și 15,5 ° C, deoarece există o ușoară dependență de temperatură. Poate că cea mai comună unitate de căldură este kilocaloria (kcal), care este energia necesară pentru a modifica temperatura de 1,00 kg de apă cu 1,00ºC. Deoarece masa este cel mai adesea specificată în kilograme, kilocaloria este frecvent utilizată. Caloriile alimentare (având în vedere nota Cal, și uneori numite „calorii mari”) sunt de fapt kilocalorii (1 kilocalorie = 1000 calorii), fapt care nu este ușor de stabilit din etichetarea ambalajului.

mecanic căldurii

Figura 1. În figura (a) băutura răcoritoare și gheața au temperaturi diferite, T1 și T2, și nu se află în echilibru termic. În figura (b), când băutura răcoritoare și gheața sunt lăsate să interacționeze, energia este transferată până când ating aceeași temperatură T ′, obținând echilibrul. Transferul de căldură are loc datorită diferenței de temperatură. De fapt, deoarece băutura răcoritoare și gheața sunt ambele în contact cu aerul înconjurător și cu banca, temperatura de echilibru va fi aceeași pentru ambele.

Echivalent mecanic al căldurii

De asemenea, este posibil să schimbați temperatura unei substanțe făcând muncă. Munca poate transfera energie în sau în afara unui 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 ceea ce privește unitățile utilizate pentru acești doi termeni, cea mai bună valoare modernă pentru această echivalență este 1.000 kcal = 4186.

Considerăm această ecuație ca fiind conversia dintre două unități diferite de energie.

Figura 2. Prezentarea schematică a experimentului lui Joule care a stabilit echivalența căldurii și a muncii.

Figura 2 de mai sus prezintă una dintre cele mai faimoase setări experimentale ale lui Joule pentru a demonstra echivalentul mecanic al căldurii. A demonstrat că munca și căldura pot produce aceleași efecte și a contribuit la stabilirea principiului conservării energiei. Energia potențială gravitațională (PE) (lucrarea efectuată de forța gravitațională) este transformată în energie cinetică (KE) și apoi randomizată prin vâscozitate și turbulență în energie cinetică medie crescută a atomilor și moleculelor din sistem, producând o creștere a temperaturii. Contribuțiile sale la domeniul termodinamicii au fost atât de semnificative încât unitatea SI de energie a fost numită după el.

Căldura adăugată sau eliminată dintr-un sistem își schimbă energia internă și, astfel, temperatura. O astfel de creștere a temperaturii se observă în timpul gătitului. Cu toate acestea, adăugarea căldurii nu crește neapărat temperatura. Un exemplu este topirea gheții; adică atunci când o substanță se schimbă de la o fază la alta. Munca efectuată asupra sistemului sau de către sistem poate schimba, de asemenea, energia internă a sistemului. Joule a demonstrat că temperatura unui sistem poate fi crescută prin agitare. Dacă un cub de gheață este frecat de o suprafață aspră, lucrarea se face prin forța de frecare. Un sistem are o energie internă bine definită, dar nu putem spune că are un anumit „conținut de căldură” sau „conținut de lucru”. Folosim expresia „transfer de căldură” pentru a sublinia natura sa.

Verificați-vă înțelegerea

Două probe (A și B) din aceeași substanță sunt păstrate într-un laborator. Cineva adaugă 10 kilojoule (kJ) de căldură la un eșantion, în timp ce 10 kJ de lucru se face pe cealaltă probă. Cum puteți spune cărui eșantion s-a adăugat căldura?

Soluţie

Căldura și munca schimbă atât energia internă a substanței. Cu toate acestea, proprietățile eșantionului depind doar de energia internă, astfel încât este imposibil să se spună dacă s-a adăugat căldură la eșantionul A sau B.

Rezumatul secțiunii

  • Căldura și munca sunt cele două metode distincte de transfer de energie.
  • Căldura este energie transferată numai datorită unei diferențe de temperatură.
  • Orice unitate de energie poate fi utilizată pentru transferul de căldură, iar cele mai frecvente sunt kilocalorii (kcal) și joule (J).
  • Kilocaloria este definită ca fiind energia necesară pentru a modifica temperatura de 1,00 kg de apă între 14,5ºC și 15,5ºC.
  • Echivalentul mecanic al acestui transfer de căldură este de 1,00 kcal = 4186 J.

Întrebări conceptuale

  1. Cum este legat transferul de căldură de temperatură?
  2. Descrieți o situație în care are loc transferul de căldură. Care sunt formele de energie rezultate?
  3. Atunci când căldura se transferă într-un sistem, energia este stocată ca căldură? Explicați pe scurt.

Glosar

căldură: transferul spontan de energie datorită unei diferențe de temperatură

kilocalorie: 1 kilocalorie = 1000 calorii

echivalentul mecanic al căldurii: munca necesară pentru a produce aceleași efecte ca și transferul de căldură