La energía interna de un cuerpo puede cambiar debido al trabajo de fuerzas externas. Para caracterizar el cambio de energía interna durante la transferencia de calor, se introduce una cantidad llamada cantidad de calor y denotada como Q.
En el sistema internacional, la unidad de calor, así como de trabajo y energía, es el julio: = = = 1 J.
En la práctica, a veces se utiliza una unidad no sistémica de cantidad de calor: la caloría. 1 cal. = 4,2 J.
Cabe señalar que el término "cantidad de calor" es desafortunado. Se introdujo en un momento en el que se creía que los cuerpos contenían algún líquido ingrávido y esquivo: el contenido calórico. El proceso de intercambio de calor supuestamente consiste en el hecho de que el calor que fluye de un cuerpo a otro lleva consigo una cierta cantidad de calor. Ahora, conociendo los conceptos básicos de la teoría cinética molecular de la estructura de la materia, entendemos que no hay calorías en los cuerpos, el mecanismo para cambiar la energía interna de un cuerpo es diferente. Sin embargo, el poder de la tradición es grande y seguimos utilizando un término introducido sobre la base de ideas incorrectas sobre la naturaleza del calor. Al mismo tiempo, al comprender la naturaleza de la transferencia de calor, no se deben ignorar por completo los conceptos erróneos al respecto. Por el contrario, al establecer una analogía entre el flujo de calor y el flujo de un líquido hipotético de calórico, la cantidad de calor y la cantidad de calórico, al resolver ciertas clases de problemas, es posible visualizar los procesos en curso y correctamente resuelve los problemas. Al final, las ecuaciones correctas que describen los procesos de transferencia de calor alguna vez se obtuvieron sobre la base de ideas incorrectas sobre el calórico como portador de calor.
Consideremos con más detalle los procesos que pueden ocurrir como resultado del intercambio de calor.
Vierte un poco de agua en el tubo de ensayo y ciérralo con un tapón. Colgamos el tubo de ensayo de una varilla fijada en un soporte y colocamos una llama abierta debajo. El tubo de ensayo recibe una cierta cantidad de calor de la llama y la temperatura del líquido que contiene aumenta. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía interna del líquido. Se produce un intenso proceso de vaporización. Los vapores líquidos en expansión realizan un trabajo mecánico para empujar el tapón fuera del tubo de ensayo.
Realicemos otro experimento con un modelo de cañón hecho de un trozo de tubo de latón, que está montado en un carro. Por un lado el tubo se cierra herméticamente con un tapón de ebonita a través del cual se pasa un alfiler. Los cables se sueldan al pasador y al tubo y terminan en terminales a los que se puede suministrar voltaje de la red de iluminación. El modelo de cañón es, pues, un tipo de caldera eléctrica.
Vierte un poco de agua en el cañón del cañón y cierra el tubo con un tapón de goma. Conectemos el arma a una fuente de energía. La corriente eléctrica que pasa por el agua la calienta. El agua hierve, lo que provoca una intensa formación de vapor. La presión del vapor de agua aumenta y, finalmente, hacen el trabajo de sacar el tapón del cañón del arma.
El arma, debido al retroceso, se aleja en dirección opuesta a la expulsión del tapón.
Ambas experiencias están unidas por las siguientes circunstancias. En el proceso de calentar el líquido de diversas formas, aumentó la temperatura del líquido y, en consecuencia, su energía interna. Para que el líquido hirviera y se evaporara intensamente, era necesario seguir calentándolo.
Los vapores líquidos, debido a su energía interna, realizaban trabajo mecánico.
Investigamos la dependencia de la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo de su masa, los cambios de temperatura y el tipo de sustancia. Para estudiar estas dependencias utilizaremos agua y petróleo. (Para medir la temperatura en el experimento, se utiliza un termómetro eléctrico hecho de un termopar conectado a un galvanómetro de espejo. Una unión de termopar se introduce en un recipiente con agua fría para asegurar su temperatura constante. La otra unión de termopar mide la temperatura del líquido. en estudio).
La experiencia consta de tres series. En la primera serie, para una masa constante de un líquido específico (en nuestro caso, agua), se estudia la dependencia de la cantidad de calor necesaria para calentarlo de los cambios de temperatura. Juzgaremos la cantidad de calor que recibe el líquido del calentador (estufa eléctrica) por el tiempo de calentamiento, asumiendo que existe una relación directamente proporcional entre ellos. Para que el resultado del experimento corresponda a esta suposición, es necesario garantizar un flujo de calor estacionario desde la estufa eléctrica al cuerpo calentado. Para hacer esto, la estufa eléctrica se encendió de antemano, de modo que al comienzo del experimento la temperatura de su superficie dejara de cambiar. Para calentar el líquido de forma más uniforme durante el experimento, lo removeremos utilizando el propio termopar. Registraremos las lecturas del termómetro a intervalos regulares hasta que el punto de luz llegue al borde de la escala.
Concluyamos: existe una relación proporcional directa entre la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo y el cambio en su temperatura.
En la segunda serie de experimentos compararemos las cantidades de calor necesarias para calentar líquidos idénticos de diferentes masas cuando su temperatura cambia en la misma cantidad.
Para facilitar la comparación de los valores obtenidos, se considerará que la masa de agua para el segundo experimento es dos veces menor que en el primer experimento.
Volveremos a registrar las lecturas del termómetro a intervalos regulares.
Comparando los resultados del primer y segundo experimento, se pueden sacar las siguientes conclusiones.
En la tercera serie de experimentos compararemos las cantidades de calor necesarias para calentar masas iguales de diferentes líquidos cuando su temperatura cambia en la misma cantidad.
Calentaremos aceite en una estufa eléctrica, cuya masa es igual a la masa de agua en el primer experimento. Registraremos las lecturas del termómetro a intervalos regulares.
El resultado del experimento confirma la conclusión de que la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo es directamente proporcional al cambio de su temperatura y, además, indica la dependencia de esta cantidad de calor del tipo de sustancia.
Dado que en el experimento se utilizó aceite, cuya densidad es menor que la densidad del agua, y calentar el aceite a una determinada temperatura requirió menos calor que calentar agua, se puede suponer que la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo depende de su densidad.
Para probar esta suposición, calentaremos simultáneamente masas iguales de agua, parafina y cobre en un calentador de potencia constante.
Después del mismo tiempo, la temperatura del cobre es aproximadamente 10 veces mayor y la parafina aproximadamente 2 veces mayor que la temperatura del agua.
Pero el cobre tiene una densidad mayor y la parafina tiene una densidad menor que el agua.
La experiencia demuestra que la cantidad que caracteriza la tasa de cambio de temperatura de las sustancias de las que están hechos los cuerpos implicados en el intercambio de calor no es la densidad. Esta cantidad se llama capacidad calorífica específica de una sustancia y se denota con la letra c.
Se utiliza un dispositivo especial para comparar las capacidades caloríficas específicas de diferentes sustancias. El dispositivo consta de rejillas en las que se fijan una fina placa de parafina y una tira atravesada por varillas. En los extremos de las varillas se fijan cilindros de aluminio, acero y latón de igual masa.
Calentamos los cilindros a la misma temperatura sumergiéndolos en un recipiente con agua sobre una estufa caliente. Aseguramos los cilindros calientes a las rejillas y los liberamos de la sujeción. Los cilindros tocan simultáneamente la placa de parafina y, derritiendo la parafina, comienzan a hundirse en ella. La profundidad de inmersión de cilindros de la misma masa en una placa de parafina, cuando su temperatura cambia en la misma cantidad, resulta diferente.
La experiencia demuestra que las capacidades caloríficas específicas del aluminio, el acero y el latón son diferentes.
Habiendo realizado experimentos apropiados con fusión de sólidos, vaporización de líquidos y combustión de combustible, obtenemos las siguientes dependencias cuantitativas.
Para obtener unidades de cantidades específicas, se deben expresar a partir de las fórmulas correspondientes y en las expresiones resultantes sustituir unidades de calor - 1 J, masa - 1 kg y, para capacidad calorífica específica, 1 K.
Obtenemos las siguientes unidades: capacidad calorífica específica – 1 J/kg·K, otros calores específicos: 1 J/kg.
Como ya sabemos, la energía interna de un cuerpo puede cambiar tanto al realizar trabajo como mediante transferencia de calor (sin realizar trabajo). La principal diferencia entre trabajo y cantidad de calor es que el trabajo determina el proceso de conversión de la energía interna del sistema, que va acompañado de la transformación de energía de un tipo a otro.
En el caso de que se produzca un cambio en la energía interna con la ayuda de transferencia de calor, la transferencia de energía de un cuerpo a otro se lleva a cabo debido a conductividad térmica, radiación o convección.
La energía que un cuerpo pierde o gana durante la transferencia de calor se llama cantidad de calor.
Al calcular la cantidad de calor, es necesario saber qué cantidades influyen en ella.
Calentaremos dos recipientes mediante dos quemadores idénticos. Un recipiente contiene 1 kg de agua y el otro contiene 2 kg. La temperatura del agua en los dos recipientes es inicialmente la misma. Podemos ver que durante el mismo tiempo, el agua de uno de los recipientes se calienta más rápido, aunque ambos recipientes reciben la misma cantidad de calor.
Así, concluimos: cuanto mayor es la masa de un cuerpo dado, mayor es la cantidad de calor que se debe gastar para bajar o aumentar su temperatura en el mismo número de grados.
Cuando un cuerpo se enfría, desprende mayor cantidad de calor a los objetos vecinos cuanto mayor es su masa.
Todos sabemos que si necesitamos calentar una tetera llena de agua a una temperatura de 50°C, dedicaremos menos tiempo a esta acción que calentar una tetera con el mismo volumen de agua, pero solo a 100°C. En el caso número uno, se le dará menos calor al agua que en el caso dos.
Por tanto, la cantidad de calor necesaria para calentar depende directamente de si Cuántos grados el cuerpo puede calentarse. Podemos concluir: la cantidad de calor depende directamente de la diferencia de temperatura corporal.
Pero, ¿es posible determinar la cantidad de calor necesaria para calentar no el agua, sino alguna otra sustancia, por ejemplo aceite, plomo o hierro?
Llene un recipiente con agua y el otro con aceite vegetal. Las masas de agua y aceite son iguales. Calentaremos ambos recipientes de manera uniforme en quemadores idénticos. Comencemos el experimento con temperaturas iniciales iguales de aceite vegetal y agua. Cinco minutos después, habiendo medido las temperaturas del aceite y del agua calentados, notaremos que la temperatura del aceite es mucho mayor que la temperatura del agua, aunque ambos líquidos recibieron la misma cantidad de calor.
La conclusión obvia es: Cuando se calientan masas iguales de aceite y agua a la misma temperatura, se requieren diferentes cantidades de calor.
E inmediatamente sacamos otra conclusión: la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo depende directamente de la sustancia que lo compone (el tipo de sustancia).
Por tanto, la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo (o liberada al enfriarse) depende directamente de la masa del cuerpo, la variabilidad de su temperatura y el tipo de sustancia.
La cantidad de calor se indica con el símbolo Q. Como otros tipos diferentes de energía, la cantidad de calor se mide en julios (J) o kilojulios (kJ).
1kJ = 1000J
Sin embargo, la historia muestra que los científicos comenzaron a medir la cantidad de calor mucho antes de que apareciera el concepto de energía en la física. En ese momento, se desarrolló una unidad especial para medir la cantidad de calor: calorías (cal) o kilocalorías (kcal). La palabra tiene raíces latinas, calor - calor.
1 kcal = 1000 kcal
Caloría– esta es la cantidad de calor necesaria para calentar 1 g de agua en 1°C
1 cal = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
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En esta lección aprenderemos a calcular la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo o que libera al enfriarse. Para ello, resumiremos los conocimientos adquiridos en lecciones anteriores.
Además, aprenderemos, utilizando la fórmula de la cantidad de calor, a expresar las cantidades restantes de esta fórmula y calcularlas, conociendo otras cantidades. También se considerará un ejemplo de un problema con una solución para calcular la cantidad de calor.
Esta lección está dedicada a calcular la cantidad de calor cuando un cuerpo se calienta o se libera cuando se enfría.
La capacidad de calcular la cantidad de calor requerida es muy importante. Esto puede ser necesario, por ejemplo, al calcular la cantidad de calor que se debe impartir al agua para calentar una habitación.
Arroz. 1. La cantidad de calor que se debe impartir al agua para calentar la habitación.
O para calcular la cantidad de calor que se libera cuando se quema combustible en varios motores:
Arroz. 2. La cantidad de calor que se libera cuando se quema combustible en el motor.
Este conocimiento también es necesario, por ejemplo, para determinar la cantidad de calor que libera el Sol y cae sobre la Tierra:
Arroz. 3. La cantidad de calor liberado por el Sol y cayendo sobre la Tierra.
Para calcular la cantidad de calor, necesita saber tres cosas (Fig.4):
- peso corporal (que normalmente se puede medir con una báscula);
- la diferencia de temperatura por la cual se debe calentar o enfriar un cuerpo (generalmente medida con un termómetro);
- capacidad calorífica específica del cuerpo (que se puede determinar a partir de la tabla).
Arroz. 4. Lo que necesitas saber para determinar
La fórmula mediante la cual se calcula la cantidad de calor es la siguiente:
En esta fórmula aparecen las siguientes cantidades:
La cantidad de calor medida en julios (J);
La capacidad calorífica específica de una sustancia se mide en ;
- diferencia de temperatura, medida en grados Celsius ().
Consideremos el problema de calcular la cantidad de calor.
Tarea
Un vaso de cobre con una masa de gramos contiene agua con un volumen de un litro a una temperatura determinada. ¿Cuánto calor se debe transferir a un vaso de agua para que su temperatura sea igual a ?
Arroz. 5. Ilustración de las condiciones del problema.
Primero escribimos una condición breve ( Dado) y convertir todas las cantidades al sistema internacional (SI).
|
Dado: |
SI |
|
|
Encontrar: |
Solución:
Primero, determina qué otras cantidades necesitamos para resolver este problema. Utilizando la tabla de capacidad calorífica específica (Tabla 1) encontramos (capacidad calorífica específica del cobre, ya que por condición el vidrio es cobre), (capacidad calorífica específica del agua, ya que por condición hay agua en el vaso). Además, sabemos que para calcular la cantidad de calor necesitamos una masa de agua. Según la condición, solo se nos da el volumen. Por tanto, de la tabla tomamos la densidad del agua: (Tabla 2).
Mesa 1. Capacidad calorífica específica de algunas sustancias,
Mesa 2. Densidades de algunos líquidos
Ahora tenemos todo lo que necesitamos para resolver este problema.
Tenga en cuenta que la cantidad final de calor consistirá en la suma de la cantidad de calor necesaria para calentar el vaso de cobre y la cantidad de calor necesaria para calentar el agua que contiene:
Primero calculemos la cantidad de calor necesaria para calentar un vaso de cobre:
Antes de calcular la cantidad de calor necesaria para calentar agua, calculemos la masa de agua utilizando una fórmula que nos resulta familiar desde el grado 7:
Ahora podemos calcular:
Entonces podemos calcular:
Recordemos qué significan los kilojulios. El prefijo “kilo” significa, claro está.
Respuesta:.
Para facilitar la resolución de problemas para encontrar la cantidad de calor (los llamados problemas directos) y las cantidades asociadas con este concepto, puede utilizar la siguiente tabla.
|
Cantidad requerida |
Designación |
Unidades |
Fórmula básica |
Fórmula para la cantidad |
|
cantidad de calor |
En la próxima lección realizaremos trabajos de laboratorio, cuyo propósito es aprender a determinar experimentalmente la capacidad calorífica específica de un sólido. Listaliteratura:
Tarea |
¿Qué se calentará más rápido en la estufa: una tetera o un balde de agua? La respuesta es obvia: una tetera. Entonces la segunda pregunta es ¿por qué?
La respuesta no es menos obvia: porque la masa de agua en la tetera es menor. Excelente. Y ahora puedes vivir una experiencia física real tú mismo en casa. Para hacer esto, necesitarás dos cacerolas pequeñas idénticas, la misma cantidad de agua y aceite vegetal, por ejemplo, medio litro cada una y una estufa. Colocar cacerolas con aceite y agua al mismo fuego. Ahora solo observa qué se calentará más rápido. Si tienes un termómetro para líquidos, puedes usarlo, si no, simplemente puedes probar la temperatura con el dedo de vez en cuando, solo ten cuidado de no quemarte; En cualquier caso, pronto verás que el aceite se calienta mucho más rápido que el agua. Y una pregunta más, que también se puede plasmar en forma de experiencia. ¿Qué hervirá más rápido: agua tibia o fría? Todo vuelve a ser obvio: el cálido será el primero en llegar a la meta. ¿Por qué todas estas extrañas preguntas y experimentos? Determinar la cantidad física llamada “cantidad de calor”.
cantidad de calor
La cantidad de calor es la energía que un cuerpo pierde o gana durante la transferencia de calor. Esto se desprende claramente del nombre. Al enfriarse, el cuerpo perderá una cierta cantidad de calor y, al calentarse, lo absorberá. Y las respuestas a nuestras preguntas nos mostraron ¿De qué depende la cantidad de calor? En primer lugar, cuanto mayor es la masa de un cuerpo, mayor es la cantidad de calor que se debe gastar para cambiar su temperatura en un grado. En segundo lugar, la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo depende de la sustancia que lo compone, es decir, del tipo de sustancia. Y en tercer lugar, la diferencia de temperatura corporal antes y después de la transferencia de calor también es importante para nuestros cálculos. Con base en lo anterior, podemos determine la cantidad de calor usando la fórmula:
Q=cm(t_2-t_1),
donde Q es la cantidad de calor,
metro - peso corporal,
(t_2-t_1) - la diferencia entre la temperatura corporal inicial y final,
c es la capacidad calorífica específica de la sustancia, que se obtiene de las tablas correspondientes.
Usando esta fórmula, puedes calcular la cantidad de calor que es necesaria para calentar cualquier cuerpo o que este cuerpo liberará al enfriarse.
La cantidad de calor se mide en julios (1 J), como cualquier tipo de energía. Sin embargo, este valor se introdujo no hace mucho tiempo y la gente empezó a medir la cantidad de calor mucho antes. Y utilizaron una unidad que se usa ampliamente en nuestro tiempo: la caloría (1 cal). 1 caloría es la cantidad de calor necesaria para calentar 1 gramo de agua en 1 grado Celsius. Guiados por estos datos, quienes gustan de contar las calorías de los alimentos que ingieren pueden, para divertirse, calcular cuántos litros de agua se pueden hervir con la energía que consumen con los alimentos durante el día.
DE INTERCAMBIO DE CALOR.
1. Intercambio de calor.
Intercambio de calor o transferencia de calor. Es el proceso de transferir la energía interna de un cuerpo a otro sin realizar trabajo.
Hay tres tipos de transferencia de calor.
1) Conductividad térmica- Se trata del intercambio de calor entre cuerpos durante su contacto directo.
2) Convección- Es un intercambio de calor en el que el calor se transfiere mediante flujos de gas o líquido.
3) Radiación– Se trata de un intercambio de calor mediante radiación electromagnética.
2. Cantidad de calor.
La cantidad de calor es una medida del cambio en la energía interna de un cuerpo durante el intercambio de calor. Denotado por la letra q.
Unidad para medir la cantidad de calor = 1 J.
La cantidad de calor que recibe un cuerpo de otro cuerpo como resultado del intercambio de calor se puede gastar en aumentar la temperatura (aumentando la energía cinética de las moléculas) o cambiando el estado de agregación (aumentando la energía potencial).
3.Capacidad calorífica específica de la sustancia.
La experiencia muestra que la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo de masa m desde la temperatura T 1 hasta la temperatura T 2 es proporcional a la masa del cuerpo my la diferencia de temperatura (T 2 - T 1), es decir
q = cm(t 2 - T. 1 ) = smetroΔ T,
Con se llama capacidad calorífica específica de la sustancia del cuerpo calentado.
La capacidad calorífica específica de una sustancia es igual a la cantidad de calor que se debe impartir a 1 kg de sustancia para calentarla en 1 K.
Unidad de medida de la capacidad calorífica específica =.
Los valores de capacidad calorífica de distintas sustancias se pueden encontrar en tablas físicas.
Se liberará exactamente la misma cantidad de calor Q cuando el cuerpo se enfríe mediante ΔT.
4.Calor específico de vaporización.
La experiencia demuestra que la cantidad de calor necesaria para convertir un líquido en vapor es proporcional a la masa del líquido, es decir
q = Lm,
¿Dónde está el coeficiente de proporcionalidad? l se llama calor específico de vaporización.
El calor específico de vaporización es igual a la cantidad de calor necesaria para convertir 1 kg de líquido en el punto de ebullición en vapor.
Unidad de medida para el calor específico de vaporización.
Durante el proceso inverso, la condensación de vapor, se libera calor en la misma cantidad que se gastó en la formación de vapor.
5.Calor específico de fusión.
La experiencia demuestra que la cantidad de calor necesaria para transformar un sólido en líquido es proporcional a la masa del cuerpo, es decir
q = λ metro,
donde el coeficiente de proporcionalidad λ se denomina calor específico de fusión.
El calor específico de fusión es igual a la cantidad de calor necesaria para transformar un cuerpo sólido que pesa 1 kg en líquido en el punto de fusión.
Unidad de medida para el calor específico de fusión.
Durante el proceso inverso, la cristalización del líquido, se libera calor en la misma cantidad que se gastó en la fusión.
6. Calor específico de combustión.
La experiencia demuestra que la cantidad de calor liberado durante la combustión completa de un combustible es proporcional a la masa del combustible, es decir
q = qmetro,
Donde el coeficiente de proporcionalidad q se denomina calor específico de combustión.
El calor específico de combustión es igual a la cantidad de calor liberado durante la combustión completa de 1 kg de combustible.
Unidad de medida del calor específico de combustión.
7. Ecuación del equilibrio térmico.
El intercambio de calor involucra dos o más cuerpos. Algunos cuerpos desprenden calor, mientras que otros lo reciben. El intercambio de calor se produce hasta que las temperaturas de los cuerpos se igualan. Según la ley de conservación de la energía, la cantidad de calor que se desprende es igual a la cantidad que se recibe. Sobre esta base se escribe la ecuación del balance de calor.
Veamos un ejemplo.
Un cuerpo de masa m 1, cuya capacidad calorífica es c 1, tiene una temperatura T 1, y un cuerpo de masa m 2, cuya capacidad calorífica es c 2, tiene una temperatura T 2. Además, T 1 es mayor que T 2. Estos cuerpos se ponen en contacto. La experiencia muestra que un cuerpo frío (m 2) comienza a calentarse y uno caliente (m 1) comienza a enfriarse. Esto sugiere que parte de la energía interna del cuerpo caliente se transfiere al frío y las temperaturas se igualan. Denotemos la temperatura general final por θ.
La cantidad de calor transferida de un cuerpo caliente a uno frío.
q transferido. = C 1 metro 1 (t 1 – θ )
La cantidad de calor que recibe un cuerpo frío de uno caliente.
q recibió. = C 2 metro 2 (θ – t 2 )
Según la ley de conservación de la energía. q transferido. = q recibió., es decir.
C 1 metro 1 (t 1 – θ )= C 2 metro 2 (θ – t 2 )
Abramos los corchetes y expresemos el valor de la temperatura total en estado estacionario θ.
En este caso obtenemos el valor de temperatura θ en kelvins.
Sin embargo, dado que Q se pasa en las expresiones. y se recibe Q. es la diferencia entre dos temperaturas, y es la misma tanto en Kelvin como en grados Celsius, entonces el cálculo se puede realizar en grados Celsius. Entonces
En este caso obtenemos el valor de temperatura θ en grados Celsius.
La igualación de temperaturas como resultado de la conductividad térmica se puede explicar basándose en la teoría cinética molecular como el intercambio de energía cinética entre moléculas al chocar en el proceso de movimiento térmico caótico.
Este ejemplo se puede ilustrar con un gráfico.