נספג חום: נוסחאות, כיצד לחשב זאת ופתרנו תרגילים - גוּפָנִי - 2025

החום נספג מוגדר להעברת אנרגיה בין שני גופים בטמפרטורות שונות. זה עם טמפרטורה נמוכה יותר סופג את החום של זה עם טמפרטורה גבוהה יותר. כאשר זה קורה, האנרגיה התרמית של החומר הסופג חום עולה, והחלקיקים המרכיבים אותו רוטטים מהר יותר, ומעלים את האנרגיה הקינטית שלהם.

זה יכול להוביל לעלייה בטמפרטורה או לשינוי במצב. לדוגמא, עוברים ממוצק לנוזל, כמו קרח כשהוא נמס במגע עם מים או סודה בטמפרטורת החדר.

כף המתכת סופגת חום מהקפה החם. מקור: Pixabay.

הודות לחום, אפשר גם לעצמים לשנות את מידותיהם. התרחבות תרמית היא דוגמא טובה לתופעה זו. כאשר מרבית החומרים מחוממים, הם נוטים לגדול בגודלם.

יוצא מן הכלל לכך הם מים. אותה כמות של מים נוזליים מגדילה את נפחם כאשר הם מתקררים מתחת ל -4 מעלות צלזיוס. בנוסף, שינויים בטמפרטורה יכולים גם לחוות שינויים בצפיפותם, דבר שגם ניתן לראות מאוד במקרה של מים.

ממה זה מורכב ונוסחאות

במקרה של אנרגיה במעבר, יחידות החום הספוג הן ג'ואלים. עם זאת, במשך זמן רב היו לחום יחידות משלו: הקלוריות.

גם כיום משתמשים ביחידה זו בכדי לכמת את תכולת האנרגיה של המזון, אם כי במציאות קלוריה תזונתית אחת תואמת לקילוקלוריה אחת של חום.

קלוריות

הקלוריות, המקוצרת כסיד, היא כמות החום הנחוצה בכדי להעלות את הטמפרטורה של 1 גרם מים ב -1 מעלות צלזיוס.

במאה ה -19 ביצע סר ג'יימס פרסקוט ז'ול (1818 - 1889) ניסוי מפורסם בו הצליח להפוך עבודות מכניות לחום, והשגת את השוויון הבא:

ביחידות בריטיות מכונה יחידת החום Btu (יחידה תרמית בריטית), המוגדרת ככמות החום הדרושה להעלאת הטמפרטורה של קילוגרם מים על 1 מעלות צלזיוס.

השוויון בין יחידות הוא כדלקמן:

הבעיה עם יחידות ישנות אלו היא שכמות החום תלויה בטמפרטורה. כלומר, זה שנדרש לעבור מ- 70 מעלות צלזיוס ל -75 מעלות צלזיוס אינו זהה לזה שנדרש כדי לחמם את המים מ- 9 מעלות צלזיוס ל -10 מעלות צלזיוס, למשל.

זו הסיבה שההגדרה חושבת על טווחים מוגדרים היטב: בין 14.5 ל- 15.5 מעלות צלזיוס ו 63-64 מעלות צלזיוס עבור קלוריות ו- Btu בהתאמה.

במה תלויה כמות החום שנספגת?

כמות החום הספוג שחומר מרים תלויה בכמה גורמים:

- מסה. ככל שהמסה גדולה יותר, כך היא מסוגלת לספוג יותר חום.

- מאפייני החומר. ישנם חומרים אשר בהתאם למבנה המולקולרי או האטומי שלהם מסוגלים לספוג יותר חום מאחרים.

- טמפרטורה. הוספת חום נוסף נדרשת בכדי להשיג טמפרטורה גבוהה יותר.

כמות החום, המסומנת Q, פרופורציונאלית לגורמים שתוארו. לכן ניתן לכתוב את הדברים כך:

כאשר m הוא מסה של העצם, c הוא קבוע הנקרא חום ספציפי, תכונה מהותית של החומר, ו- T הוא השונות בטמפרטורה המושגת על ידי ספיגת חום.

להבדל זה יש סימן חיובי, שכן בעת ​​ספיגת חום, צפוי T _f > T _o. זה קורה אלא אם כן החומר עובר שינוי שלב, כמו מים העוברים מנוזל לאדי. כאשר מים רותחים, הטמפרטורה שלהם נשארת קבועה על 100 מעלות צלזיוס, לא משנה כמה מהר הם רותחים.

איך לחשב את זה?

על ידי הצבת שני עצמים בטמפרטורות שונות במגע, לאחר זמן מה שניהם מגיעים לשיווי משקל תרמי. הטמפרטורות ואז משתוות והעברת החום נפסקת. הדבר קורה אם יותר משני עצמים באים במגע. לאחר זמן מסוים, כולם יהיו באותה טמפרטורה.

בהנחה שהאובייקטים במגע יוצרים מערכת סגורה, שממנה לא יכול לברוח חום, עיקרון שימור האנרגיה חל, ולכן ניתן לקבוע כי:

Q _נקלט = - Q _הניב

זה מייצג איזון אנרגטי, בדומה לזה של הכנסותיו והוצאותיו של האדם. זו הסיבה שלחום המועבר יש סימן שלילי, שכן עבור האובייקט שמניב, הטמפרטורה הסופית נמוכה מזו שהתחילה. לכן:

המשוואה Q _שנקלט = - Q _הניב משמשת בכל פעם ששני עצמים נמצאים במגע.

איזון אנרגיה

כדי לבצע את איזון האנרגיה יש צורך להבדיל בין האובייקטים הסופגים חום מאלו המניבים, ואז:

Σ Q _k = 0

כלומר, סכום הרווחים וההפסדים באנרגיה במערכת סגורה חייב להיות שווה ל -0.

החום הספציפי של חומר

כדי לחשב את כמות החום שנספג יש לדעת את החום הספציפי של כל חומר המשתתף. זהו כמות החום הדרושה להעלאת הטמפרטורה של 1 גר 'חומר על 1 מעלות צלזיוס. יחידותיה במערכת הבינלאומית הן: ג'ול / ק"ג. ק.

ישנם טבלאות עם החום הספציפי של חומרים רבים, המחושבים בדרך כלל בעזרת קלורימטר או כלים דומים.

דוגמא כיצד לחשב את החום הספציפי של חומר

250 קלוריות נדרשות כדי להעלות את הטמפרטורה של טבעת מתכת מ 20 ל 30 מעלות צלזיוס. אם לטבעת יש מסה של 90 גר '. מה החום הספציפי של המתכת ביחידות SI?

פִּתָרוֹן

היחידות מומרות ראשונות:

ש = 250 קלוריות = 1046.5 י

m = 90 גרם = 90 x 10 ^-3 ק"ג

התרגיל נפתר

ספל אלומיניום מכיל 225 גרם מים ומערבב נחושת של 40 גרם, כולם על 27 מעלות צלזיוס. מדגם 400 גרם של כסף בטמפרטורה ראשונית של 87 מעלות צלזיוס ממוקם במים.

המסעף משמש לעירוב התערובת עד שהוא מגיע לטמפרטורת שיווי המשקל הסופית של 32 מעלות צלזיוס. חשב את המסה של גביע האלומיניום, בהתחשב בכך שאין הפסדי חום לסביבה.

סכמטי של קלורימטר. מקור: Solidswiki.

גִישָׁה

כאמור לעיל, חשוב להבדיל בין עצמים שמוותרים על החום מאלו הסופגים:

- גביע האלומיניום, מערבל הנחושת והמים סופגים חום.

- מדגם הכסף מניב חום.

נתונים

החימום הספציפי של כל חומר מסופק:

החום שנספג או מועבר על ידי כל חומר מחושב באמצעות המשוואה:

פִּתָרוֹן

כסף

Q _הניב = 400 x 10 ^-3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J

מערבבים נחושת

Q _נקלט = 40 על 10 ^-3 . 387 x (32 - 27) J = 77.4 J

מים

Q _נקלט = 225 x 10 ^-3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709.25 J

ספל אלומיניום

Q _נקלט = _{אלומיניום} מ ' . 900 x (32 - 27) J = 4500 מ ' _{אלומיניום}

עושה שימוש ב:

Σ Q _k = 0

77.4 + 4709.25 + 4500 מ ' _{אלומיניום} = - (-5148)

לבסוף מנקה מסת האלומיניום:

מ ' _{אלומיניום} = 0.0803 ק"ג = 80.3 גרם

הפניות

1. Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. 6 ^ה . אולם פרנטיס הול. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. פיזיקה: מבט על העולם. 6 ^ta עריכה מקוצרת. לימוד Cengage. 156-164.
3. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון. 309-332.
4. סירס, זמנסקי. 2016. פיזיקה באוניברסיטה עם פיזיקה מודרנית. 14 ^ה . כרך 1. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. יסודות הפיזיקה. 9 ^נה למידה Cengage. 362 - 374