חום רגיש: קונספט, נוסחאות ותרגילים שנפתרו - גוּפָנִי - 2025

החום ההגיוני הוא אנרגית התרמית שסופקה אובייקט על ידי הטמפרטורה שלו לעלות. זה ההפך מחום סמוי, בו אנרגיה תרמית אינה מעלה את הטמפרטורה אלא מקדמת שינוי פאזה, למשל ממוצק לנוזל.

דוגמא מבהירה את המושג. נניח שיש לנו סיר מים בטמפרטורת החדר של 20 מעלות צלזיוס. כשאנחנו מניחים אותו על הכיריים, החום המסופק מעלה את טמפרטורת המים באטיות עד שהם מגיעים ל 100 מעלות צלזיוס (טמפרטורת הרתיחה של מים בגובה הים). החום המסופק נקרא חום הגיוני.

החום שמחמם את הידיים הוא חום הגיוני. מקור: Pixabay

ברגע שהמים מגיעים לנקודת הרתיחה, החום שמספק המבער כבר לא מעלה את טמפרטורת המים, שנותרה על 100 מעלות צלזיוס. במקרה זה האנרגיה התרמית המסופקת מושקעת באידוי המים. החום המסופק סמוי מכיוון שהוא לא העלה את הטמפרטורה, אלא במקום זאת גרם לשינוי משלב הנוזל לשלב הגז.

עובדה ניסיונית היא שהחום הגיוני הנחוץ להשגת שונות מסוימת בטמפרטורה הוא ביחס ישיר לאותה שונות ולמסת האובייקט.

מושג ונוסחאות

נצפה כי מלבד המסה והבדל הטמפרטורה, חום הגיוני תלוי גם בחומר. מסיבה זו, קבוע המידתיות בין חום הגיוני לבין תוצר ההבדל בין המסה לטמפרטורה נקרא חום ספציפי.

כמות החום הגיונית המסופקת תלויה גם באופן ביצוע התהליך. לדוגמה, זה שונה אם התהליך מתבצע בנפח קבוע מאשר בלחץ קבוע.

הנוסחה לחום הגיוני בתהליך איזוברי, כלומר בלחץ קבוע, היא הבאה:

Q = cp. m (T f - T i)

במשוואה לעיל Q הוא החום הגיוני המסופק לאובייקט המסה m, שהעלה את הטמפרטורה הראשונית שלו T _i לערך הסופי Tf. במשוואה הקודמת מופיע גם cp, שהוא החום הספציפי של החומר בלחץ קבוע מכיוון שהתהליך בוצע בדרך זו.

שימו לב גם שחום הגיוני הוא חיובי כאשר הוא נספג על ידי העצם וגורם לעליית הטמפרטורה.

במקרה שמספקים חום לגז הסגור במיכל קשיח, התהליך יהיה איזוכורי, כלומר בנפח קבוע; ונוסחת החום הגיונית תיכתב כך:

Q = c v. M. (T f - T i)

המקדם האדיאבטי γ

המנה בין החום הספציפי בלחץ קבוע לחום הספציפי בנפח קבוע לאותו חומר או חומר זה נקרא מקדם אדיאבטי, אשר בדרך כלל מצוין על ידי האות היוונית gamma γ.

המקדם האדיאבטי גדול מהאחדות. החום הנדרש להעלאת הטמפרטורה של גוף גרם אחד בדרגה אחת גדול יותר בתהליך איזוברי מאשר בחומר איזוכורי.

הסיבה לכך היא שבמקרה הראשון חלק מהחום משמש לביצוע עבודות מכניות.

בנוסף לחום ספציפי מוגדרת בדרך כלל גם יכולת החום של גוף. זהו כמות החום הדרושה להעלאת הטמפרטורה של אותו גוף צלזיוס במעלה אחת.

קיבולת חום ג

קיבולת החום מסומנת על ידי בירה C, ואילו חום ספציפי על ידי C קטן. הקשר בין שני הכמויות הוא:

C = c⋅ m

כאשר m הוא מסת הגוף.

משתמשים גם בחום ספציפי טוחן, המוגדר ככמות החום הגיוני הנחוץ בכדי להעלות טמפרטורה של שומה אחת של חומר על ידי דרגה אחת צלזיוס או קלווין.

חום ספציפי במוצקים, נוזלים וגזים

לחום הספציפי הטוחני של רוב המוצקים יש ערך שקרוב פי 3 R, כאשר R הוא קבוע הגז האוניברסאלי. R = 8.314472 J / (מול *).

לדוגמה, לאלומיניום יש חום ספציפי טוחני 24.2 J / (מול ℃), נחושת 24.5 J / (mol ℃), זהב 25.4 J / (mol ℃), וברזל רך 25.1 J / (מול ℃). שימו לב שערכים אלה קרובים ל- 3R = 24.9 J / (mol ℃).

לעומת זאת, ברוב הגזים החום הספציפי הטוחני קרוב ל- n (R / 2), כאשר n הוא מספר שלם ו- R הוא קבוע הגז האוניברסאלי. המספר השלם n קשור למספר דרגות החופש של המולקולה המרכיבה את הגז.

לדוגמה, בגז אידיאלי מונומטי, שלמולקולה יש רק את שלוש דרגות התרגום של החופש, החום הספציפי הטוחני בנפח קבוע הוא 3 (R / 2). אבל אם מדובר בגז אידיאלי דיאטומי, ישנם בנוסף שתי דרגות סיבוב, כך cv = 5 (R / 2).

בגזים אידיאליים, הקשר הבא בין חום ספציפי טוחן בלחץ קבוע לנפח קבוע מחזיק: cp = cv + R.

למים מגיע אזכור מיוחד. במצב נוזלי ב 25 ℃, למים יש cp = 4.1813 J / (g ℃), לאדי מים ב 100 מעלות צלזיוס יש cp = 2.080 J / (g ℃), וקרח מים באפס מעלות צלזיוס יש cp = 2,050 J / (g *).

הבדל בחום סמוי

חומר יכול להיות בשלושה מצבים: מוצק, נוזלי וגז. אנרגיה נדרשת כדי לשנות מצב, אך כל חומר מגיב אליו בצורה שונה על פי המאפיינים המולקולריים והאטומיים שלו.

כאשר מוצק נמס או נוזל מתאדה, הטמפרטורה של האובייקט נשארת קבועה עד שכל החלקיקים שינו את מצבם.

מסיבה זו יתכן שחומר נמצא בשיווי משקל בשני שלבים: מוצק - נוזל או נוזל - אדי, למשל. ניתן להעביר כמות של החומר ממצב למצב על ידי הוספה או הסרה של מעט חום, בעוד הטמפרטורה נשארת קבועה.

החום המסופק לחומר גורם לחלקיקיו לרטוט מהר יותר ולהגדיל את האנרגיה הקינטית שלהם. זה מתורגם לעליית הטמפרטורה.

יתכן שהאנרגיה שהם רוכשים כה גדולה שהם כבר לא חוזרים למצב שיווי המשקל שלהם וההפרדה ביניהם עולה. כאשר זה קורה הטמפרטורה אינה עולה, אך החומר עובר ממוצק לנוזל או מנוזל לגז.

החום הנדרש בכדי שזה יקרה מכונה חום סמוי. לכן חום סמוי הוא החום שבאמצעותו חומר יכול לשנות שלב.

הנה ההבדל בחום הגיוני. חומר הקולט חום הגיוני מעלה את הטמפרטורה שלו ונשאר באותו מצב.

כיצד לחשב חום סמוי?

חום סמוי מחושב על ידי המשוואה:

שם L יכול להיות חום האידוי הספציפי או חום האיחוי. היחידות של L הן אנרגיה / מסה.

מדענים העניקו לחום שמות רבים, תלוי בסוג התגובה בה הוא משתתף. לדוגמא, יש חום התגובה, חום הבעירה, חום ההתמצקות, חום הפיתרון, חום הסובלימציה ורבים אחרים.

מוצגים ערכי רבים מסוגי החום הללו עבור חומרים שונים.

תרגילים שנפתרו

דוגמא 1

נניח שיש לו חתיכת אלומיניום בעלת מסה של 3 ק"ג. בתחילה הוא נמצא ב 20 מעלות צלזיוס ואתה רוצה להעלות את הטמפרטורה שלה ל 100 מעלות צלזיוס. חשב את החום הגיוני הנדרש.

פִּתָרוֹן

ראשית עלינו לדעת את החום הספציפי של האלומיניום

cp = 0.897 J / (g ° C)

ואז תהיה כמות החום הדרושה לחימום חתיכת האלומיניום

Q = cpm (Tf - Ti) = 0.897 * 3000 * (100 - 20) J

ש = 215 280 J

דוגמא 2

חשב את כמות החום הדרושה לחימום 1 ליטר מים מ- 25 ° C ל- 100 ° C בגובה פני הים. הביעו את התוצאה גם בקילוקלוריות.

פִּתָרוֹן

הדבר הראשון שיש לזכור הוא ש -1 ליטר מים שוקל 1 ק"ג, כלומר 1000 גרם.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4.1813 J / (g ℃) * 1000 גרם * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597.5 J

הקלוריות היא יחידת אנרגיה המוגדרת כחום הגיוני הנחוץ לגידול גרם מים בדרגה אחת צלזיוס. לכן קלוריה אחת שווה ל- 4.1813 ג'ול.

ש = 313597.5 J * (1 קל / 4.1813 J) = 75000 קל = 75 קק"ל.

דוגמא 3

חתיכת חומר של 360.16 גרם מחוממת מ- 37 ℃ ל 140 ℃. האנרגיה התרמית המסופקת היא 1150 קלוריות.

חימום המדגם. מקור: תוצרת עצמית.

מצא את החום הספציפי של החומר.

פִּתָרוֹן

אנו יכולים לכתוב את החום הספציפי כפונקציה של החום הגיוני, המסה ושונות הטמפרטורה לפי הנוסחה:

cp = Q / (m ΔT)

להחליף את הנתונים יש לנו את הדברים הבאים:

cp = 1150 cal / (360.16 גרם * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0.0310 cal / (g ℃)

אך מכיוון שקלוריה אחת שווה ל- 4.1813 J, התוצאה יכולה להתבטא גם כ

cp = 0.130 J / (g ℃)

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. Tippens, P. 2011. פיזיקה: מושגים ויישומים. 7. מהדורה מתוקנת. מקגרו היל. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון. 309-332.
5. סירס, זמנסקי. 2016. פיזיקה באוניברסיטה עם פיזיקה מודרנית. 14 ^ה . כרך 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. יסודות הפיזיקה. 9 ^נה למידה Cengage. 362-374.