חום: נוסחאות ויחידות, מאפיינים, אופן מדידתו, דוגמאות - גוּפָנִי - 2025

חום בפיזיקה מוגדר אנרגיה תרמית הועברו כל אימת שהם חפצים קשר או חומרים שהם בטמפרטורות שונות. העברת אנרגיה זו וכל התהליכים הקשורים אליו, הם מושא לימוד התרמודינמיקה, ענף חשוב בפיזיקה.

חום הוא אחת מהצורות הרבות שהאנרגיה לובשת, ואחת המוכרות ביותר. אז מאיפה זה בא? התשובה נעוצה באטומים והמולקולות המרכיבות חומר. החלקיקים האלה בתוך הדברים אינם סטטיים. אנו יכולים לדמיין אותם כחרוזים קטנים המקושרים על ידי קפיצים רכים, המסוגלים להתכווץ ולהימתח בקלות.

אטומים ומולקולות רוטטים בתוך חומרים, המתורגמים לאנרגיה פנימית. מקור: פ. טיפנס. פיזיקה: מושגים ויישומים.

בדרך זו החלקיקים מסוגלים לרטוט ואפשר להעביר את האנרגיה שלהם בקלות לחלקיקים אחרים, וגם מגוף לגוף.

כמות החום שגוף סופג או משחרר תלויה באופי החומר, במסתו ובהבדל הטמפרטורה. זה מחושב כך:

כאשר Q הוא כמות החום המועבר, m הוא מסת האובייקט, C _e הוא החום הספציפי של החומר ו- ΔT = T _{האחרון הסופי} - T _ראשוני , כלומר הפרש הטמפרטורה.

כמו כל צורות האנרגיה, חום נמדד בג'אול, במערכת הבינלאומית (SI). יחידות מתאימות אחרות הן: ergs במערכת cgs, Btu במערכת הבריטית, והקלוריות, מונח המשמש בדרך כלל לתכולת האנרגיה של המזון.

מאפייני חום

החום המדורה הוא אנרגיה בהעברה. מקור: Pixabay

יש כמה מושגי מפתח שכדאי לזכור:

-חימום הוא על אנרגיה במעבר. לאובייקטים אין חום, הם רק משחררים או סופגים אותו בהתאם לנסיבות. מה שיש לאובייקטים הוא אנרגיה פנימית, מתוקף התצורה הפנימית שלהם.

אנרגיה פנימית זו, בתורם, מורכבת מאנרגיה קינטית הקשורה לתנועת רעידות ואנרגיה פוטנציאלית, האופיינית לתצורה המולקולרית. על פי תצורה זו, חומר יעביר חום פחות או יותר בקלות וזה בא לידי ביטוי בחום הספציפי שלו C _e , הערך שהוזכר במשוואה לחישוב Q.

-הקונספט החשוב השני הוא שחום מועבר תמיד מהגוף הכי חם לגוף הכי קר. הניסיון מצביע על כך שהחום מקפה חם עובר תמיד לעבר חרסינה של הספל והצלחת, או המתכת של הכף איתה היא מוקפצת, לעולם לא להפך.

-כמות החום המועברת או הנספגת תלויה במסת הגוף המדובר. הוספת אותה כמות קלוריות או ג'ואלים לדגימה עם מסת X אינה מחממת באותה צורה אחרת שמסה שלה היא 2X.

הסיבה? יש יותר חלקיקים במדגם הגדול יותר, וכל אחד מהם יקבל בממוצע רק מחצית מהאנרגיה של המדגם הקטן יותר.

שיווי משקל תרמי ושימור אנרגיה

הניסיון אומר לנו שכשמניחים שני חפצים בטמפרטורות שונות במגע, לאחר זמן מה הטמפרטורה של שניהם תהיה זהה. אז ניתן לקבוע כי האובייקטים או המערכות, כפי שניתן לכנותם גם כן, נמצאים בשיווי משקל תרמי.

מצד שני, בהרהור כיצד להגדיל את האנרגיה הפנימית של מערכת מבודדת, ניתן להסיק כי ישנם שני מנגנונים אפשריים:

i) חימום זה, כלומר העברת אנרגיה ממערכת אחרת.

ii) בצעו עבודות מכניות כאלה או אחרות.

תוך התחשבות באנרגיה שנשמרת:

במסגרת התרמודינמיקה, עיקרון שימור זה ידוע כחוק הראשון של התרמודינמיקה. אנו אומרים כי יש לבודד את המערכת, כי אחרת יהיה צורך לשקול תשומות או תפוקות אנרגיה אחרות במאזן.

כיצד נמדד חום?

החום נמדד לפי ההשפעה שהוא מייצר. לכן חוש המישוש מודיע במהירות עד כמה משקה חם, קר או אוכל או חפץ כלשהו. מכיוון שהעברה או קליטת חום מביאה לשינויים בטמפרטורה, מדידה זו נותנת מושג על כמות החום שהועברה.

המכשיר המשמש למדידת טמפרטורה הוא המדחום, מכשיר המצויד בסולם מדורגים לביצוע הקריאה. הידוע ביותר הוא מדחום הכספית, המורכב מנימה דקה של כספית שמתרחבת כשהוא מחומם.

מדחום עם סיום במאזני צלזיוס ופרנהייט. מקור: Pixabay.

לאחר מכן מוחדרים את נימי הכספית המלאים בצינור זכוכית בקנה מידה ומכניסים אותו למגע עם הגוף, אשר יש למדוד את הטמפרטורה שלו עד שהם מגיעים לשיווי משקל תרמי והטמפרטורה של שניהם זהה.

מה נדרש להכנת מדחום?

ראשית, עליך להיות בעל מאפיין תרמומטרי כלשהו, ​​כלומר כזה שמשתנה עם הטמפרטורה.

לדוגמה, גז או נוזל כמו כספית, מתרחבים כשהם מחוממים, אם כי משמשת גם התנגדות חשמלית, הפולטת חום כאשר זרם עובר דרכו. בקיצור, ניתן להשתמש בכל תכונה תרמומטרית הניתנת למדידה בקלות.

אם הטמפרטורה t היא ביחס ישר לתכונה התרמומטרית X, אז ניתן לכתוב את זה:

כאשר k הוא קבוע המידתיות שייקבע כאשר נקבעים שתי טמפרטורות מתאימות ונמדדים את הערכים התואמים של X. פירושו של טמפרטורות מתאימות קל להשיג במעבדה.

לאחר שנקבעו הזוגות (t ₁ , X ₁ ) ו- (t ₂ , X ₂ ), המרווח ביניהם מחולק לחלקים שווים, אלה יהיו המעלות.

מאזני טמפרטורה

בחירת הטמפרטורות הנחוצות לבניית סולם טמפרטורות נעשית על פי הקריטריון שקל להשיג במעבדה. אחד הסולמות הנפוצים ביותר בעולם הוא סולם צלסיוס, שנוצר על ידי המדען השבדי אנדרס צלסיוס (1701-1744).

הסולם 0 בסולם הצלזיוס הוא הטמפרטורה בה המים והקרח נמצאים בשיווי משקל באווירת לחץ 1, ​​ואילו הגבול העליון נבחר כאשר מים נוזליים ואדי מים נמצאים באותה מידה בשיווי משקל באווירת לחץ. מרווח זה מחולק ל 100 מעלות שכל אחת מהן נקראת צלזיוס מעלות.

זו לא הדרך היחידה לבנות סולם, רחוק ממנה. ישנם מאזניים אחרים, כמו סולם פרנהייט, בו נבחרו המרווחים עם ערכים אחרים. ויש את סולם קלווין, שיש לו רק גבול נמוך יותר: אפס מוחלט.

אפס מוחלט תואם לטמפרטורה בה כל תנועת החלקיקים בחומר נפסקת לחלוטין, עם זאת, למרות שהיא התקרבה למדי, היא עדיין לא הצליחה לקרר כל חומר לאפס מוחלט.

דוגמאות

כולם חווים חום על בסיס יומיומי, באופן ישיר או עקיף. לדוגמא כשאתם משקה חם, בשמש אחר הצהריים, בוחנים את הטמפרטורה של מנוע מכונית, בחדר מלא באנשים ובספור מצבים אחרים.

על כדור הארץ, חום נחוץ לשמירה על תהליכי חיים, הן זה שמקורו בשמש והן זה שמקורו בפנים כדור הארץ.

באופן דומה, האקלים מונע על ידי שינויים באנרגיה תרמית המתרחשת באטמוספרה. חום השמש אינו מגיע בכל מקום באופן שווה, בקווי הרוחב המשווניים הוא מגיע יותר מאשר בקטבים, כך שהאוויר החם ביותר באזור הטרופי עולה ועובר צפונה ודרומה, כדי להשיג איזון תרמי על זה דיברו בעבר.

באופן זה נוצרים זרמי אוויר במהירויות שונות, המעבירים עננים וגשמים. מצד שני, ההתנגשות הפתאומית בין חזיתות האוויר החמות והקרות גורמת לתופעות כמו סופות, טורנדו והוריקנים.

לעומת זאת, ברמה קרובה יותר, ייתכן שהחום לא יתקבל בברכה כמו שקיעה על החוף. חום גורם לבעיות הפעלה במנועי מכוניות ומעבדי מחשבים.

זה גם גורם לאיבוד אנרגיה חשמלית בכבלי הולכה וחומרים להתרחב, וזו הסיבה שטיפול בחום כה חשוב בכל תחומי ההנדסה.

תרגילים

- תרגיל 1

על התווית של סוכריה נכתב שהיא מספקת 275 קלוריות. כמה אנרגיה בג'אולות שווה לממתק הזה?

פִּתָרוֹן

בהתחלה, קלוריה הוזכרה כיחידה לחום. מזון מכיל אנרגיה הנמדדת בדרך כלל ביחידות אלו, אך קלוריות תזונתיות הן למעשה קילוקלוריות.

השוויון הוא הבא: 1 קק"ל = 4186 J, והגיע למסקנה שלסוכריות יש:

275 קילוקלוריות x 4186 ג'ול / קילוקלוריה = 1.15 10 ⁶ י.

- תרגיל 2

100 גרם של מתכת מחוממים ל 100 מעלות צלזיוס ומניחים בקלורימטר עם 300 גרם מים בחום של 20 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה שרוכשת המערכת כשהיא מגיעה לשיווי משקל היא 21.44 מעלות צלזיוס. אתה מתבקש לקבוע את החום הספציפי של המתכת, בהנחה שהקלורימטר אינו סופג חום.

פִּתָרוֹן

במצב זה, המתכת מוותרת על חום, אותה נקרא Q _נתון וסימן (-) מונח לפניו כדי להצביע על אובדן:

המים בקלורימטר, מצדם, סופגים חום, אשר יסומנו כ- Q נקלט:

אנרגיה נשמרת, וממנה יוצא כי:

מההצהרה אתה יכול לחשב ΔT:

חשוב: 1 מעלות צלזיוס זהה לגודל קלווין אחד. ההבדל בין שני הכף הוא שסולם קלווין הוא מוחלט (מעלות קלווין תמיד חיוביות).

החום הספציפי של מים ב 20 מעלות צלזיוס הוא 4186 J / ק"ג. K ובעזרתו ניתן לחשב את החום הספוג:

לסיכום, החום הספציפי של המתכת מנוקה:

הפניות

1. Bauer, W. 2011. פיזיקה להנדסה ומדעים. כרך 1. מקגרו היל.
2. Cuellar, JA Physics II: גישה לפי מיומנויות. מקגרו היל.
3. Kirkpatrick, L. 2007. פיזיקה: מבט על העולם. 6 ^ta עריכה מקוצרת. לימוד Cengage.
4. Knight, R. 2017. פיזיקה למדעים והנדסה: גישה אסטרטגית. פירסון.
5. Tippens, P. 2011. פיזיקה: מושגים ויישומים. מהדורה 7. מקגרוו היל