WÄRME: FORMELN UND EINHEITEN, EIGENSCHAFTEN, WIE MAN SIE MISST, BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2025

Die Wärme in der Physik ist definiert als die Wärmeenergie, die übertragen wird, wenn sie Objekte oder Substanzen berühren, die sich bei unterschiedlichen Temperaturen befinden. Dieser Energietransfer und alle damit verbundenen Prozesse sind Gegenstand der Untersuchung der Thermodynamik, einem wichtigen Zweig der Physik.

Wärme ist eine der vielen Formen, die Energie annimmt, und eine der bekanntesten. Woher kommt es also? Die Antwort liegt in den Atomen und Molekülen, aus denen die Materie besteht. Diese Partikel in Dingen sind nicht statisch. Wir können sie uns als kleine Perlen vorstellen, die durch weiche Federn verbunden sind und leicht schrumpfen und dehnen können.

Atome und Moleküle schwingen in Substanzen, die in innere Energie umgewandelt werden. Quelle: P. Tippens. Physik: Konzepte und Anwendungen.

Auf diese Weise können die Partikel vibrieren und ihre Energie kann leicht auf andere Partikel und auch von einem Körper auf einen anderen übertragen werden.

Die Wärmemenge, die ein Körper aufnimmt oder abgibt, hängt von der Art der Substanz, ihrer Masse und dem Temperaturunterschied ab. Es wird wie folgt berechnet:

Wobei Q die übertragene Wärmemenge ist, m die Masse des Objekts ist, C _e die spezifische Wärme der Substanz ist und ΔT = _endgültiges T - _{anfängliches} T , dh die Temperaturdifferenz.

Wie alle Energieformen wird Wärme im Internationalen System (SI) in Joule gemessen. Andere geeignete Einheiten sind: Ergs im CGS-System, Btu im britischen System und die Kalorie, ein Begriff, der üblicherweise für den Energiegehalt von Lebensmitteln verwendet wird.

Wärmeeigenschaften

Die Wärme vom Lagerfeuer ist Energie in der Übertragung. Quelle: Pixabay

Es sind mehrere Schlüsselkonzepte zu beachten:

- Bei Wärme geht es um Energie beim Transport. Objekte haben keine Wärme, sie geben sie nur abhängig von den Umständen ab oder absorbieren sie. Was Objekte haben, ist innere Energie aufgrund ihrer inneren Konfiguration.

Diese innere Energie setzt sich wiederum aus kinetischer Energie zusammen, die mit der Vibrationsbewegung und der für die molekulare Konfiguration typischen potentiellen Energie verbunden ist. Gemäß dieser Konfiguration überträgt eine Substanz Wärme mehr oder weniger leicht und dies spiegelt sich in ihrer spezifischen Wärme C _e wider , dem Wert, der in der Gleichung zur Berechnung von Q erwähnt wurde.

-Das zweite wichtige Konzept ist, dass Wärme immer vom heißesten zum kältesten Körper übertragen wird. Die Erfahrung zeigt, dass die Wärme von heißem Kaffee immer auf das Porzellan der Tasse und des Tellers oder auf das Metall des Löffels, mit dem es gerührt wird, gelangt, niemals umgekehrt.

-Die übertragene oder absorbierte Wärmemenge hängt von der Masse des betreffenden Körpers ab. Das Hinzufügen der gleichen Menge an Kalorien oder Joule zu einer Probe mit X-Masse erwärmt sich nicht auf die gleiche Weise wie eine andere Probe, deren Masse 2X beträgt.

Der Grund? Die größere Probe enthält mehr Partikel, und jede Partikel würde im Durchschnitt nur die Hälfte der Energie der kleineren Probe erhalten.

Thermisches Gleichgewicht und Energieeinsparung

Die Erfahrung zeigt, dass, wenn wir zwei Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt bringen, nach einer Weile die Temperatur beider Objekte gleich ist. Dann kann festgestellt werden, dass sich die Objekte oder Systeme, wie sie auch genannt werden können, im thermischen Gleichgewicht befinden.

Wenn man darüber nachdenkt, wie die innere Energie eines isolierten Systems erhöht werden kann, wird der Schluss gezogen, dass es zwei mögliche Mechanismen gibt:

i) Erhitzen, dh Energieübertragung von einem anderen System.

ii) Führen Sie eine mechanische Arbeit daran durch.

Unter Berücksichtigung der Energieeinsparung:

Im Rahmen der Thermodynamik ist dieses Erhaltungsprinzip als erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt. Wir sagen, dass das System isoliert werden muss, da sonst andere Energieein- oder -ausgänge in der Waage berücksichtigt werden müssten.

Wie wird Wärme gemessen?

Die Wärme wird nach dem Effekt gemessen, den sie erzeugt. Daher ist es der Tastsinn, der schnell darüber informiert, wie heiß oder kalt ein Getränk, ein Lebensmittel oder ein Gegenstand ist. Da die Übertragung oder Absorption von Wärme zu Temperaturänderungen führt, gibt die Messung eine Vorstellung davon, wie viel Wärme übertragen wurde.

Das Instrument zur Temperaturmessung ist das Thermometer, ein Gerät, das mit einer abgestuften Skala zur Durchführung der Messung ausgestattet ist. Am bekanntesten ist das Quecksilberthermometer, das aus einer feinen Quecksilberkapillare besteht, die sich beim Erhitzen ausdehnt.

Ein Thermometer mit Graduierung in Celsius und Fahrenheit. Quelle: Pixabay.

Als nächstes wird die mit Quecksilber gefüllte Kapillare in ein Glasrohr mit einer Skala eingeführt und in Kontakt mit dem Körper gebracht, dessen Temperatur gemessen werden muss, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen und die Temperatur von beiden gleich ist.

Was ist erforderlich, um ein Thermometer herzustellen?

Zunächst müssen Sie einige thermometrische Eigenschaften haben, dh eine, die mit der Temperatur variiert.

Beispielsweise dehnen sich ein Gas oder eine Flüssigkeit wie Quecksilber beim Erhitzen aus, obwohl auch ein elektrischer Widerstand dient, der Wärme abgibt, wenn ein Strom durch ihn fließt. Kurz gesagt, jede thermometrische Eigenschaft, die leicht messbar ist, kann verwendet werden.

Wenn die Temperatur t direkt proportional zur thermometrischen Eigenschaft X ist, kann geschrieben werden:

Wobei k die Proportionalitätskonstante ist, die zu bestimmen ist, wenn zwei geeignete Temperaturen eingestellt und die entsprechenden Werte von X gemessen werden. Geeignete Temperaturen sind im Labor leicht zu erreichen.

Sobald die Paare (t ₁ , X ₁ ) und (t ₂ , X ₂ ) hergestellt wurden, wird das Intervall zwischen ihnen in gleiche Teile geteilt, dies sind die Grade.

Temperaturskalen

Die Auswahl der zum Aufbau einer Temperaturskala erforderlichen Temperaturen erfolgt nach dem Kriterium, dass sie im Labor leicht zu erhalten sind. Eine der weltweit am häufigsten verwendeten Skalen ist die Celsius-Skala, die vom schwedischen Wissenschaftler Anders Celsius (1701-1744) erstellt wurde.

Die 0 auf der Celsius-Skala ist die Temperatur, bei der sich Eis und flüssiges Wasser bei 1 Druckatmosphäre im Gleichgewicht befinden, während die Obergrenze gewählt wird, wenn sich flüssiges Wasser und Wasserdampf gleichermaßen im Gleichgewicht und bei 1 Druckatmosphäre befinden. Dieses Intervall ist in 100 Grad unterteilt, von denen jeder als Grad Celsius bezeichnet wird.

Dies ist nicht die einzige Möglichkeit, eine Waage zu erstellen, weit davon entfernt. Es gibt andere unterschiedliche Skalen, z. B. die Fahrenheit-Skala, in der die Intervalle mit anderen Werten ausgewählt wurden. Und da ist die Kelvin-Skala, die nur eine Untergrenze hat: den absoluten Nullpunkt.

Der absolute Nullpunkt entspricht der Temperatur, bei der jede Bewegung von Partikeln in einem Stoff vollständig aufhört. Obwohl er ziemlich nahe gekommen ist, konnte er noch keinen Stoff auf den absoluten Nullpunkt abkühlen.

Beispiele

Jeder erlebt täglich Hitze, entweder direkt oder indirekt. Zum Beispiel, wenn Sie in der Mittagssonne ein heißes Getränk trinken und die Temperatur eines Automotors untersuchen, in einem Raum voller Menschen und in unzähligen anderen Situationen.

Auf der Erde ist Wärme notwendig, um Lebensprozesse aufrechtzuerhalten, sowohl die, die von der Sonne kommen, als auch die, die aus dem Inneren des Planeten kommen.

Ebenso wird das Klima durch Änderungen der Wärmeenergie in der Atmosphäre bestimmt. Die Sonnenwärme erreicht nicht überall gleich viel, in äquatorialen Breiten mehr als an den Polen, so dass die heißeste Luft in den Tropen aufsteigt und sich nach Norden und Süden bewegt, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen darüber wurde schon früher gesprochen.

Auf diese Weise werden Luftströmungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erzeugt, die Wolken und Regen transportieren. Andererseits verursacht die plötzliche Kollision zwischen heißen und kalten Luftfronten Phänomene wie Stürme, Tornados und Hurrikane.

Im Gegensatz dazu ist die Hitze auf einer näheren Ebene möglicherweise nicht so willkommen wie ein Sonnenuntergang am Strand. Hitze verursacht Betriebsprobleme in Automotoren und Computerprozessoren.

Es geht auch dazu, dass elektrische Energie in Leitungskabeln und Materialien verloren geht, weshalb die Wärmebehandlung in allen Bereichen der Technik so wichtig ist.

Übungen

- Übung 1

Auf dem Etikett einer Süßigkeit steht, dass sie 275 Kalorien liefert. Wie viel Energie in Joule entspricht diese Süßigkeit?

Lösung

Zu Beginn war die Kalorie als Wärmeeinheit erwähnt worden. Lebensmittel enthalten Energie, die normalerweise in diesen Einheiten gemessen wird, aber diätetische Kalorien sind tatsächlich Kilokalorien.

Die Äquivalenz ist die folgende: 1 kcal = 4186 J, und es wird geschlossen, dass die Süßigkeit hat:

275 Kilokalorien x 4186 Joule / Kilokalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Übung 2

100 g eines Metalls werden auf 100 ° C erhitzt und mit 300 g Wasser bei 20 ° C in ein Kalorimeter gegeben. Die Temperatur, die das System erreicht, wenn es das Gleichgewicht erreicht, beträgt 21,44 ° C. Sie werden gebeten, die spezifische Wärme des Metalls zu bestimmen, vorausgesetzt, das Kalorimeter absorbiert keine Wärme.

Lösung

In dieser Situation gibt das Metall Wärme ab, die wir Q als _{gegeben bezeichnen,} und ein Zeichen (-) wird davor platziert, um den Verlust anzuzeigen:

Das Wasser im Kalorimeter absorbiert seinerseits Wärme, die als Q-absorbiert bezeichnet wird:

Energie wird gespart, woraus folgt:

Aus der Aussage können Sie ΔT berechnen:

Wichtig: 1 ºC entspricht der Größe von 1 Kelvin. Der Unterschied zwischen den beiden Skalen besteht darin, dass die Kelvin-Skala absolut ist (Kelvin-Grade sind immer positiv).

Die spezifische Wärme von Wasser bei 20 ° C beträgt 4186 J / kg. K und damit kann die aufgenommene Wärme berechnet werden:

Abschließend wird die spezifische Wärme des Metalls gelöscht:

Verweise

1. Bauer, W. 2011. Physik für Ingenieurwissenschaften. Band 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physik II: Ansatz durch Kompetenzen. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physik: Ein Blick auf die Welt. 6 ^ta Bearbeitung abgekürzt. Lernen einbinden.
4. Knight, R. 2017. Physik für Wissenschaftler und Ingenieure: ein strategischer Ansatz. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Physik: Konzepte und Anwendungen. 7. Auflage. Mcgraw Hügel