- Woraus es besteht und Formeln
- Kalorien
- Wovon hängt die aufgenommene Wärmemenge ab?
- Wie berechnet man das?
- Energieausgleich
- Die spezifische Wärme eines Stoffes
- Ein Beispiel für die Berechnung der spezifischen Wärme eines Materials
- Übung gelöst
- Ansatz
- Daten
- Lösung
- Silber
- Kupferrührer
- Wasser
- Aluminiumbecher
- Verweise
Die absorbierte Wärme ist definiert als die Übertragung von Energie zwischen zwei Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen. Derjenige mit einer niedrigeren Temperatur absorbiert die Wärme desjenigen mit einer höheren Temperatur. In diesem Fall nimmt die Wärmeenergie der Substanz, die Wärme absorbiert, zu, und die Partikel, aus denen sie besteht, vibrieren schneller und erhöhen ihre kinetische Energie.
Dies kann zu einem Temperaturanstieg oder einer Zustandsänderung führen. Wechseln Sie beispielsweise von fest zu flüssig, wie Eis, wenn es bei Raumtemperatur in Kontakt mit Wasser oder Soda schmilzt.
Der Metalllöffel nimmt die Wärme des heißen Kaffees auf. Quelle: Pixabay.
Dank der Wärme können Objekte auch ihre Abmessungen ändern. Die Wärmeausdehnung ist ein gutes Beispiel für dieses Phänomen. Wenn die meisten Substanzen erhitzt werden, neigen sie dazu, an Größe zuzunehmen.
Eine Ausnahme bildet Wasser. Die gleiche Menge flüssigen Wassers erhöht sein Volumen, wenn es unter 4 ° C abkühlt. Darüber hinaus können bei Temperaturänderungen auch Änderungen der Dichte auftreten, was auch bei Wasser sehr gut zu beobachten ist.
Woraus es besteht und Formeln
Bei Energie während des Transports sind die Einheiten der absorbierten Wärme Joule. Hitze hatte jedoch lange Zeit ihre eigenen Einheiten: die Kalorie.
Noch heute wird diese Einheit zur Quantifizierung des Energiegehalts von Lebensmitteln verwendet, obwohl in Wirklichkeit eine Kalorienmenge einer Kilokalorie Wärme entspricht.
Kalorien
Die Kalorie, abgekürzt als Kalk, ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 ° C zu erhöhen.
Im 19. Jahrhundert führte Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) ein berühmtes Experiment durch, bei dem es ihm gelang, mechanische Arbeit in Wärme umzuwandeln, wobei folgende Äquivalenz erhalten wurde:
In britischen Einheiten wird die Wärmeeinheit als Btu (British Thermal Unit) bezeichnet. Dies ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur eines Pfund Wassers um 1ºF zu erhöhen.
Die Äquivalenz zwischen Einheiten ist wie folgt:
Das Problem bei diesen älteren Geräten ist, dass die Wärmemenge von der Temperatur abhängt. Das heißt, diejenige, die erforderlich ist, um von 70 ° C auf 75 ° C zu kommen, ist nicht die gleiche wie die, die erforderlich ist, um beispielsweise Wasser von 9 ° C auf 10 ° C zu erhitzen.
Aus diesem Grund werden in der Definition genau definierte Bereiche berücksichtigt: von 14,5 bis 15,5 ° C und 63 bis 64 ° F für die Kalorien bzw. Btu.
Wovon hängt die aufgenommene Wärmemenge ab?
Die Menge an absorbierter Wärme, die ein Material aufnimmt, hängt von mehreren Faktoren ab:
- Masse. Je größer die Masse ist, desto mehr Wärme kann sie aufnehmen.
- Eigenschaften des Stoffes. Es gibt Substanzen, die je nach molekularer oder atomarer Struktur mehr Wärme aufnehmen können als andere.
- Temperatur. Das Hinzufügen von mehr Wärme ist erforderlich, um eine höhere Temperatur zu erhalten.
Die mit Q bezeichnete Wärmemenge ist proportional zu den beschriebenen Faktoren. Daher kann es geschrieben werden als:
Wobei m die Masse des Objekts ist, c eine Konstante ist, die als spezifische Wärme bezeichnet wird, eine intrinsische Eigenschaft der Substanz, und ΔT die Temperaturänderung ist, die durch Absorption von Wärme erreicht wird.
Dieser Unterschied hat ein positives Vorzeichen, da beim Absorbieren von Wärme erwartet wird, dass T f > T o ist. Dies tritt auf, es sei denn, die Substanz erfährt einen Phasenwechsel, wie z. B. Wasser, das von Flüssigkeit zu Dampf übergeht. Wenn Wasser kocht, bleibt seine Temperatur konstant bei ungefähr 100 ° C, egal wie schnell es kocht.
Wie berechnet man das?
Indem zwei Objekte bei unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt gebracht werden, erreichen beide nach einer Weile ein thermisches Gleichgewicht. Die Temperaturen gleichen sich dann aus und die Wärmeübertragung hört auf. Das gleiche passiert, wenn mehr als zwei Objekte in Kontakt kommen. Nach einer bestimmten Zeit haben sie alle die gleiche Temperatur.
Unter der Annahme, dass die in Kontakt stehenden Objekte ein geschlossenes System bilden, aus dem keine Wärme entweichen kann, gilt das Prinzip der Energieeinsparung, sodass Folgendes festgestellt werden kann:
Q absorbiert = - Q ergab
Dies stellt eine Energiebilanz dar, ähnlich der der Einnahmen und Ausgaben einer Person. Aus diesem Grund hat die übertragene Wärme ein negatives Vorzeichen, da für das Objekt, das nachgibt, die Endtemperatur niedriger ist als die ursprüngliche. So:
Die Gleichung Q absorbiert = - Q nachgegeben wird verwendet, wenn zwei Gegenstände in Kontakt sind.
Energieausgleich
Um die Energiebilanz durchzuführen, müssen die Objekte, die Wärme absorbieren, von denen unterschieden werden, die nachgeben, und dann:
Σ Q k = 0
Das heißt, die Summe der Energiegewinne und -verluste in einem geschlossenen System muss gleich 0 sein.
Die spezifische Wärme eines Stoffes
Um die absorbierte Wärmemenge zu berechnen, muss die spezifische Wärme jeder beteiligten Substanz bekannt sein. Dies ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 g Material um 1 ° C zu erhöhen. Seine Einheiten im internationalen System sind: Joule / kg. K. K.
Es gibt Tabellen mit der spezifischen Wärme vieler Substanzen, die im Allgemeinen mit einem Kalorimeter oder ähnlichen Werkzeugen berechnet werden.
Ein Beispiel für die Berechnung der spezifischen Wärme eines Materials
250 Kalorien sind erforderlich, um die Temperatur eines Metallrings von 20 auf 30 ° C zu erhöhen. Wenn der Ring eine Masse von 90 g hat. Was ist die spezifische Wärme des Metalls in SI-Einheiten?
Lösung
Einheiten werden zuerst konvertiert:
Q = 250 Kalorien = 1046,5 J.
m = 90 g = 90 · 10 & supmin; ³ kg
Übung gelöst
Ein Aluminiumbecher enthält 225 g Wasser und einen 40 g Kupferrührer bei 27 ° C. Eine 400 g Silberprobe bei einer Anfangstemperatur von 87 ° C wird in das Wasser gegeben.
Der Rührer wird verwendet, um die Mischung zu rühren, bis sie ihre endgültige Gleichgewichtstemperatur von 32 ° C erreicht. Berechnen Sie die Masse des Aluminiumbechers unter Berücksichtigung der Wärmeverluste für die Umwelt.
Schema eines Kalorimeters. Quelle: Solidswiki.
Ansatz
Wie oben erwähnt, ist es wichtig, zwischen Objekten, die Wärme abgeben, und Objekten, die Wärme absorbieren, zu unterscheiden:
- Der Aluminiumbecher, der Kupferrührer und das Wasser nehmen Wärme auf.
- Die Silberprobe liefert Wärme.
Daten
Die spezifischen Temperaturen jedes Stoffes werden geliefert:
Die von jeder Substanz absorbierte oder übertragene Wärme wird nach folgender Gleichung berechnet:
Lösung
Silber
Q ergab = 400 × 10 –3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J.
Kupferrührer
Q absorbiert = 40 × 10 –3 . 387 x (32 - 27) J = 77,4 J.
Wasser
Q absorbiert = 225 × 10 –3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J.
Aluminiumbecher
Q absorbiert = m Aluminium . 900 x (32 - 27) J = 4500 um Aluminium
Verwendung von:
Σ Q k = 0
77,4 + 4709,25 + 4500 m Aluminium = - (-5148)
Schließlich wird die Masse des Aluminiums geklärt:
m Aluminium = 0,0803 kg = 80,3 g
Verweise
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