TEPLO: VZORCE A JEDNOTKY, VLASTNOSTI, ZPŮSOB MĚŘENÍ, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Tepla ve fyzice je definována jako tepelná energie přenesena vždy, když kontaktní předměty nebo látky, které jsou při různých teplotách. Tento přenos energie a všechny procesy s ním spojené, je předmětem studia termodynamiky, důležitého oboru fyziky.

Teplo je jednou z mnoha forem, které energie nabývá, a jednou z nejznámějších. Tak odkud to pochází? Odpověď leží v atomech a molekulách, které tvoří hmotu. Tyto částice uvnitř věcí nejsou statické. Dokážeme si je představit jako malé korálky spojené měkkými pružinami, schopné lehce se zmenšovat a protahovat.

Atomy a molekuly vibrují uvnitř látek, které se přeměňují na vnitřní energii. Zdroj: P. Tippens. Fyzika: Koncepty a aplikace.

Tímto způsobem jsou částice schopny vibrovat a jejich energie může být snadno přenesena na jiné částice a také z jednoho těla na druhé.

Množství tepla, které tělo absorbuje nebo uvolňuje, závisí na povaze látky, její hmotnosti a rozdílu v teplotě. Vypočítá se takto:

Kde Q je množství přenášeného tepla, m je hmotnost předmětu, C _e je vlastní specifické teplo látky a ΔT = _konečné T - _{počáteční} T, tj. Teplotní rozdíl.

Stejně jako všechny formy energie se teplo měří v joulech, v mezinárodním systému (SI). Dalšími vhodnými jednotkami jsou: ergs v systému cgs, Btu v britském systému a kalorie, termín běžně používaný pro energetický obsah potravin.

Tepelné vlastnosti

Teplo z ohně je přenosná energie. Zdroj: Pixabay

Je třeba mít na paměti několik klíčových konceptů:

-Heat je o energii v tranzitu. Předměty nemají teplo, v závislosti na okolnostech ji pouze uvolňují nebo absorbují. Objekty mají vnitřní energii díky své vnitřní konfiguraci.

Tato vnitřní energie je zase složena z kinetické energie spojené s vibračním pohybem a potenciální energií, typickou pro molekulární konfiguraci. Podle této konfigurace bude látka přenášet teplo více či méně snadno a to se odráží v jejím specifickém teplu C _e, hodnotě, která byla uvedena v rovnici pro výpočet Q.

- Druhým důležitým konceptem je, že teplo se vždy přenáší z nejteplejšího těla do nejchladnějšího těla. Zkušenost ukazuje, že teplo z horké kávy vždy přechází směrem k porcelánu šálku a talíře nebo kovu lžíce, se kterou se míchá, nikdy naopak.

- Množství přenášeného nebo absorbovaného tepla závisí na hmotnosti daného těla. Přidání stejného množství kalorií nebo joulů do vzorku s hmotností X nezohřívá stejným způsobem jiný, jehož hmotnost je 2X.

Důvod? Ve větším vzorku je více částic a každá z nich by dostávala v průměru pouze polovinu energie menšího vzorku.

Tepelná rovnováha a úspora energie

Zkušenost nám říká, že když dáme dva objekty do kontaktu při různých teplotách, po chvíli bude teplota obou stejná. Pak lze konstatovat, že objekty nebo systémy, jak je lze také nazvat, jsou v tepelné rovnováze.

Na druhou stranu, při úvahách o tom, jak zvýšit vnitřní energii izolovaného systému, se dochází k závěru, že existují dva možné mechanismy:

i) Zahřívání, to znamená přenos energie z jiného systému.

ii) Proveďte na něm nějaký druh mechanické práce.

S ohledem na úsporu energie:

V rámci termodynamiky je tento princip zachování známý jako první zákon termodynamiky. Říkáme, že systém musí být izolován, protože jinak by bylo nutné zvážit další energetické vstupy nebo výstupy v rovnováze.

Jak se měří teplo?

Teplo se měří podle účinku, který vytváří. Proto je to pocit doteku, který rychle informuje, jak horký nebo studený nápoj, jídlo nebo jakýkoli předmět je. Protože přenos nebo absorpce tepla vede ke změnám teploty, měření dává představu o tom, kolik tepla bylo přeneseno.

Přístroj používaný k měření teploty je teploměr, zařízení vybavené stupnicí pro provádění odečtu. Nejznámější je rtuťový teploměr, který se skládá z jemné kapiláry rtuti, která se při zahřívání rozpíná.

Teploměr s stupnicí ve stupních Celsia a Fahrenheita. Zdroj: Pixabay.

Rtuťem naplněná kapilára se potom vloží do skleněné trubice se stupnicí a uvede se do kontaktu s tělem, jehož teplota se musí měřit, dokud nedosáhne tepelné rovnováhy a teplota obou není stejná.

Co je třeba k vytvoření teploměru?

Nejprve musíte mít nějaké termometrické vlastnosti, tj. Vlastnosti, které se mění s teplotou.

Například plyn nebo kapalina, jako je rtuť, se při zahřívání expanduje, ačkoli slouží také elektrický odpor, který vydává teplo, když jím prochází proud. Stručně řečeno, lze použít libovolnou termometrickou vlastnost, kterou lze snadno měřit.

Je-li teplota t přímo úměrná termometrické vlastnosti X, lze ji zapsat:

Kde k je konstanta proporcionality, která se stanoví, když jsou stanoveny dvě vhodné teploty a změřeny odpovídající hodnoty X. Vhodné teploty znamenají snadné získání v laboratoři.

Jakmile párů (t ₁, X ₁) a (t ₂, X ₂) byly stanoveny, interval mezi nimi je rozdělena na stejné části, tyto budou stupňů.

Teplotní stupnice

Výběr teplot nezbytných pro vytvoření teplotní stupnice se provádí s kritériem, že je lze snadno získat v laboratoři. Jedním z nejčastěji používaných měřítek na světě je stupnice Celsia, kterou vytvořil švédský vědec Anders Celsius (1701-1744).

0 na stupnici Celsia je teplota, při které je led a kapalná voda v rovnováze při tlaku 1 atmosféry, zatímco horní mez je zvolena, pokud jsou kapalná voda a vodní pára v rovnováze a tlaku 1 atmosféra. Tento interval je rozdělen do 100 stupňů, z nichž každý se nazývá stupňová stupnice.

Toto není jediný způsob, jak vybudovat měřítko daleko od něj. Existují další různé stupnice, například Fahrenheitova stupnice, ve kterých byly intervaly vybrány s jinými hodnotami. A existuje Kelvinova stupnice, která má pouze spodní limit: absolutní nulu.

Absolutní nula odpovídá teplotě, při které veškerý pohyb částic v látce úplně přestane, ačkoli se blíží, dosud nebyla schopna ochladit žádnou látku na absolutní nulu.

Příklady

Každý zažívá teplo denně, ať už přímo nebo nepřímo. Například, když máte horký nápoj, v poledním slunci, zkoumáte teplotu motoru automobilu, v místnosti plné lidí a v nesčetných jiných situacích.

Na Zemi je teplo nutné k udržení životních procesů, a to jak těch, které pocházejí ze Slunce, tak i těch, které pocházejí z nitra planety.

Podobně je klima poháněno změnami tepelné energie, ke kterým dochází v atmosféře. Teplo Slunce nedosahuje všude stejně, v rovníkových šířkách dosahuje více než na pólech, takže nejteplejší vzduch v tropech stoupá a pohybuje se na sever a na jih, aby se dosáhlo tepelné rovnováhy o tom se už mluvilo.

Tímto způsobem se zjišťují proudy vzduchu při různých rychlostech, které přenášejí mraky a déšť. Na druhé straně náhlá srážka mezi horkými a studenými vzduchovými frontami způsobuje jevy, jako jsou bouře, tornáda a hurikány.

Naproti tomu na nižší úrovni nemusí být teplo tak vítané jako západ slunce na pláži. Teplo způsobuje provozní problémy v automobilových motorech a počítačových procesorech.

To také způsobuje ztrátu elektrické energie ve vodivých kabelech a materiálech, což je důvod, proč je tepelné zpracování tak důležité ve všech oblastech techniky.

Cvičení

- Cvičení 1

Na štítku bonbónu je uvedeno, že poskytuje 275 kalorií. Kolik energie v joulech odpovídá této cukroví?

Řešení

Zpočátku byla kalorie uváděna jako jednotka tepla. Jídlo obsahuje energii, která se obvykle měří v těchto jednotkách, ale kalorií ve stravě jsou ve skutečnosti kiloklorie.

Ekvivalence je následující: 1 kcal = 4186 J a dochází k závěru, že bonbón má:

275 kcal x 4186 joulů / kcal = 1,15 10 ⁶ J.

- Cvičení 2

100 g kovu se zahřeje na 100 ° C a umístí do kalorimetru s 300 g vody při 20 ° C. Teplota, kterou systém získá, když dosáhne rovnováhy, je 21,44 ° C. Žádáme vás, abyste určili měrné teplo kovu za předpokladu, že kalorimetr neabsorbuje teplo.

Řešení

V této situaci se kov vzdá tepla, kterému budeme říkat Q _dané a před ním je umístěna značka (-), která označuje ztrátu:

Voda v kalorimetru absorbuje teplo, které bude označeno jako absorbované Q:

Energie je zachována, z čehož vyplývá, že:

Z výpisu můžete vypočítat ΔT:

Důležité: 1 ° C má stejnou velikost jako 1 kelvin. Rozdíl mezi těmito dvěma měřítky je v tom, že Kelvinova stupnice je absolutní (Kelvinovy ​​stupně jsou vždy kladné).

Měrné teplo vody při 20 ° C je 4186 J / kg. K a tímto absorbované teplo lze vypočítat:

Závěrem lze říci, že měrné teplo kovu je vyčištěno:

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pro strojírenství a vědy. Svazek 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Přístup podle kompetencí. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohled na svět. 6 ^ta Editace ve zkratce. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikace. 7. vydání. Mcgraw Hill