WÄRMEÜBERTRAGUNG: FORMELN, WIE MAN SIE BERECHNET UND GELÖSTE ÜBUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Die übertragene Wärme ist die Energieübertragung zwischen zwei Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen. Derjenige mit einer höheren Temperatur gibt demjenigen mit einer niedrigeren Temperatur Wärme. Ob ein Körper Wärme abgibt oder absorbiert, seine Temperatur oder sein physikalischer Zustand können abhängig von der Masse und den Eigenschaften des Materials, aus dem er hergestellt ist, variieren.

Ein gutes Beispiel ist eine dampfende Tasse Kaffee. Der Metalllöffel, mit dem der Zucker gerührt wird, erwärmt sich. Wenn es lange genug in der Tasse bleibt, gleichen Kaffee und ein Metalllöffel ihre Temperaturen aus: Der Kaffee ist abgekühlt und die Wärme wurde auf den Löffel übertragen. Es wird etwas Wärme an die Umgebung abgegeben, da das System nicht isoliert ist.

Der Kaffee und der Löffel befinden sich nach einer Weile im thermischen Gleichgewicht. Quelle: Pixabay.

Wenn die Temperaturen gleich werden, ist das thermische Gleichgewicht erreicht.

Wenn Sie den gleichen Test mit einem Plastik-Teelöffel durchführen würden, würden Sie sicherlich feststellen, dass er sich nicht so schnell erwärmt wie der Metall-Teelöffel, aber er wird schließlich auch mit dem Kaffee und allem, was ihn umgibt, ins Gleichgewicht kommen.

Dies liegt daran, dass Metall Wärme besser leitet als Kunststoff. Auf der anderen Seite liefert Kaffee sicherlich Wärme mit einer anderen Geschwindigkeit als heiße Schokolade oder andere Getränke. Die von jedem Objekt abgegebene oder absorbierte Wärme hängt also davon ab, aus welchem ​​Material oder welcher Substanz es besteht.

Woraus es besteht und Formeln

Wärme bezieht sich aufgrund des Temperaturunterschieds immer auf den Energiefluss oder -transit zwischen einem Objekt und einem anderen.

Deshalb sprechen wir von übertragener oder absorbierter Wärme, da durch Hinzufügen oder Extrahieren von Wärme oder Energie auf irgendeine Weise die Temperatur eines Elements geändert werden kann.

Die Wärmemenge, die das heißeste Objekt abgibt, wird normalerweise als Q bezeichnet. Dieser Wert ist proportional zur Masse dieses Objekts. Ein Körper mit einer großen Masse kann mehr Wärme abgeben als ein anderer mit einer geringeren Masse.

Temperaturunterschied

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Berechnung der Wärmeübertragung ist der Temperaturunterschied, den das wärmeübertragende Objekt erfährt. Sie wird als ΔT bezeichnet und wie folgt berechnet:

Schließlich hängt die übertragene Wärmemenge auch von der Art und den Eigenschaften des Objekts ab, die quantitativ in einer Konstante zusammengefasst werden, die als spezifische Wärme des Materials bezeichnet wird und als c bezeichnet wird.

Der Ausdruck für die übertragene Wärme lautet also wie folgt:

Der Akt des Nachgebens wird durch ein negatives Vorzeichen symbolisiert.

Spezifische Wärme und Wärmekapazität eines Stoffes

Spezifische Wärme ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 g Substanz um 1 ºC zu erhöhen. Es ist eine intrinsische Eigenschaft des Materials. Seine Einheiten im internationalen System sind: Joule / kg. K (Joule zwischen Kilogramm x Temperatur in Grad Kelvin).

Die Wärmekapazität C ist ein verknüpftes Konzept, das sich jedoch geringfügig unterscheidet, da die Masse des Objekts beteiligt ist. Die Wärmekapazität ist wie folgt definiert:

Seine SI-Einheiten sind Joule / K. Die freigesetzte Wärme kann also auch äquivalent ausgedrückt werden als:

Wie berechnet man das?

Um die von einem Objekt übertragene Wärme zu berechnen, muss Folgendes bekannt sein:

- Die spezifische Wärme des Stoffes, der Wärme abgibt.

- Die Masse dieser Substanz

- Die zu erreichende Endtemperatur

Spezifische Wärmewerte für viele Materialien wurden experimentell bestimmt und sind in Tabellen verfügbar.

Kalorimetrie

Wenn dieser Wert nicht bekannt ist, kann er mit Hilfe eines Thermometers und Wasser in einem wärmeisolierten Behälter, dem Kalorimeter, ermittelt werden. Ein Diagramm dieses Geräts ist in der Abbildung zu Übung 1 dargestellt.

Eine Probe der Substanz wird bei einer bestimmten Temperatur in eine zuvor gemessene Wassermenge eingetaucht. Die Endtemperatur wird gemessen und die spezifische Wärme des Materials mit den erhaltenen Werten bestimmt.

Durch Vergleichen des Ergebnisses mit den tabellarischen Werten kann festgestellt werden, um welche Substanz es sich handelt. Dieses Verfahren wird als Kalorimetrie bezeichnet.

Der Wärmehaushalt erfolgt durch Energieeinsparung:

Q _ergab + Q _{absorbiert = 0}

Gelöste Übungen

Übung 1

Ein 0,35 kg schweres Stück Kupfer wird bei einer Temperatur von 150 ° C in 500 ml Wasser bei einer Temperatur von 25 ° C eingebracht.

a) Die endgültige Gleichgewichtstemperatur

b) Wie viel Wärme fließt dabei?

Daten

Schema eines Basiskalorimeters: ein isolierter Wasserbehälter und ein Thermometer zur Messung von Temperaturänderungen. l Quelle: Dr. Tilahun Tesfaye

Lösung

a) Kupfer gibt Wärme ab, während Wasser sie aufnimmt. Da das System als geschlossen betrachtet wird, greifen nur das Wasser und die Probe in den Wärmehaushalt ein:

Andererseits muss die Masse von 500 ml Wasser berechnet werden:

Mit diesen Daten wird die Masse des Wassers berechnet:

Die Gleichung für die Wärme in jeder Substanz wird erhöht:

Gleichsetzen der Ergebnisse, die wir haben:

Es ist eine lineare Gleichung mit einem Unbekannten, dessen Lösung lautet:

b) Die Wärmemenge, die fließt, ist die übertragene Wärme oder die aufgenommene Wärme:

Q _ergab = - 134,75 (32,56 - 150) J = 15823 J.

Q _absorbiert = 2093 (32,56 - 25) J = 15823 J.

Übung 2

Ein 100 g Stück Kupfer wird in einem Ofen bei einer Temperatur T erhitzt _o und dann in einem 150 g Kupfer - Kalorimeter , das 200 g Wasser bei 16ºC gegeben. Die Endtemperatur einmal im Gleichgewicht 38 ºC Wenn das Kalorimeter und sein Inhalt gewogen werden, wird festgestellt, dass 1,2 g Wasser verdampft sind. Was war die Anfangstemperatur T _o ?

Lösung

Diese Übung unterscheidet sich von der vorherigen, da berücksichtigt werden muss, dass das Kalorimeter auch Wärme absorbiert. Die vom Kupferstück abgegebene Wärme wird in Folgendes investiert:

- Erhitzen Sie das Wasser im Kalorimeter (200 g)

- Erhitzen Sie das Kupfer, aus dem das Kalorimeter besteht (150 g).

- Verdampfe 1,2 Gramm Wasser (Energie wird auch für einen Phasenwechsel benötigt).

So:

- 38,5. (38 - T _o ) = 22397,3

Die Wärme, die benötigt wird, um die 1,2 g Wasser auf 100 ° C zu bringen, hätte ebenfalls in Betracht gezogen werden können, ist aber im Vergleich dazu eine relativ kleine Menge.

Verweise

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