WARMTEOVERDRACHT: FORMULES, HOE DEZE TE BEREKENEN EN OPGELOSTE OEFENINGEN - FYSIEK - 2024

De overgedragen warmte is de overdracht van energie tussen twee lichamen bij verschillende temperaturen. Degene met een hogere temperatuur geeft warmte af aan degene met een lagere temperatuur. Of een lichaam warmte afgeeft of absorbeert, de temperatuur of de fysieke toestand ervan kan variëren afhankelijk van de massa en de eigenschappen van het materiaal waaruit het is gemaakt.

Een goed voorbeeld hiervan is een dampende kop koffie. De metalen lepel waarmee de suiker wordt geroerd, warmt op. Als het lang genoeg in de beker blijft, zullen koffie en een metalen lepel hun temperatuur gelijkmaken: de koffie is afgekoeld en de warmte is overgebracht naar de lepel. Een deel van de warmte komt in de omgeving terecht, aangezien het systeem niet geïsoleerd is.

De koffie en de lepel komen na een tijdje in thermisch evenwicht. Bron: Pixabay.

Als de temperaturen gelijk worden, is er een thermisch evenwicht bereikt.

Als je dezelfde test zou doen met een plastic theelepel, zou je vast en zeker merken dat het niet zo snel opwarmt als het metalen theelepeltje, maar het zal uiteindelijk ook in balans komen met de koffie en alles eromheen.

Dit komt doordat metaal warmte beter geleidt dan plastic. Aan de andere kant geeft koffie zeker een andere warmte af dan warme chocolademelk of andere dranken. Dus de warmte die door elk object wordt gegeven of geabsorbeerd, hangt af van het materiaal of de substantie waarvan het is gemaakt.

Waar het uit bestaat en formules

Warmte verwijst altijd naar de stroom of doorgang van energie tussen het ene object en het andere, vanwege het temperatuurverschil.

Daarom spreken we van warmteoverdracht of warmteopname, want door op een of andere manier warmte of energie toe te voegen of te onttrekken, is het mogelijk om de temperatuur van een element aan te passen.

De hoeveelheid warmte die het heetste object afgeeft, wordt meestal Q genoemd. Deze waarde is evenredig met de massa van dat object. Een lichaam met een grote massa kan meer warmte afgeven dan een ander met een lagere massa.

Temperatuur verschil

Een andere belangrijke factor bij het berekenen van de warmteoverdracht is het temperatuurverschil dat wordt ervaren door het object dat warmte overdraagt. Het wordt aangeduid als Δ T en wordt als volgt berekend:

Ten slotte hangt de hoeveelheid overgedragen warmte ook af van de aard en kenmerken van het object, die kwantitatief worden samengevat in een constante genaamd de soortelijke warmte van het materiaal, aangeduid als c.

Dus tenslotte is de uitdrukking voor de overgedragen warmte de volgende:

Het toegeven wordt gesymboliseerd door een negatief teken.

Specifieke warmte en warmtecapaciteit van een stof

Specifieke warmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van 1 g stof met 1 ºC te verhogen. Het is een intrinsieke eigenschap van het materiaal. De eenheden in het internationale systeem zijn: joule / kg. K (Joule tussen kilogram x temperatuur in graden Kelvin).

De warmtecapaciteit C is een gekoppeld concept, maar net iets anders, aangezien het om de massa van het object gaat. De warmtecapaciteit wordt als volgt gedefinieerd:

De SI-eenheden zijn Joule / K. De vrijkomende warmte kan dus ook equivalent worden uitgedrukt als:

Hoe bereken je het?

Om de door een object overgedragen warmte te berekenen, is het noodzakelijk om het volgende te weten:

- De soortelijke warmte van de stof die warmte afgeeft.

- De massa van die substantie

- De eindtemperatuur die moet worden verkregen

Specifieke warmtewaarden voor veel materialen zijn experimenteel bepaald en zijn beschikbaar in tabellen.

Calorimetrie

Als deze waarde niet bekend is, is het mogelijk om deze te verkrijgen met behulp van een thermometer en water in een thermisch geïsoleerde container: de calorimeter. Een diagram van dit apparaat wordt getoond in de figuur die bij oefening 1 hoort.

Een monster van de stof wordt bij een bepaalde temperatuur ondergedompeld in een hoeveelheid water die vooraf is gemeten. De eindtemperatuur wordt gemeten en de soortelijke warmte van het materiaal wordt bepaald met de verkregen waarden.

Door het resultaat te vergelijken met de getabelleerde waarden, kan bekend worden om welke stof het gaat. Deze procedure wordt calorimetrie genoemd.

De warmtebalans wordt uitgevoerd door energie te besparen:

Q _leverde + Q _{op = 0}

Opgeloste oefeningen

Oefening 1

Een stuk koper van 0,35 kg wordt bij een temperatuur van 150 ° C in 500 ml water bij een temperatuur van 25 ° C gebracht. Vind:

a) De uiteindelijke evenwichtstemperatuur

b) Hoeveel warmte stroomt in dit proces?

Gegevens

Schematische voorstelling van een basiscalorimeter: een geïsoleerde bak met water en een thermometer om temperatuurveranderingen te meten. l Bron: Dr. Tilahun Tesfaye

Oplossing

a) Koper geeft warmte af terwijl water het opneemt. Aangezien het systeem als gesloten wordt beschouwd, komen alleen het water en het monster tussen in de warmtebalans:

Aan de andere kant is het vereist om de massa van 500 ml water te berekenen:

Met deze gegevens wordt de massa van het water berekend:

De vergelijking voor de warmte in elke stof wordt verhoogd:

Vergelijking van de resultaten die we hebben:

Het is een lineaire vergelijking met een onbekende, waarvan de oplossing is:

b) De hoeveelheid warmte die stroomt is de warmte die wordt overgedragen of geabsorbeerd:

Q _leverde = - 134,75 (32,56 - 150) J = 15823 J op

Q _opgenomen = 2093 (32,56 - 25) J = 15823 J

Oefening 2

Een stuk koper van 100 g wordt in een oven verwarmd op een temperatuur T _o en vervolgens in een 150 g koperen calorimeter met 200 g water van 16 ° C geplaatst. De eindtemperatuur eenmaal in evenwicht is 38 º C. Wanneer de calorimeter en zijn inhoud worden gewogen, blijkt dat 1,2 g water is verdampt Wat was de begintemperatuur T _o ?

Oplossing

Deze oefening verschilt van de vorige, aangezien er rekening mee moet worden gehouden dat de calorimeter ook warmte opneemt. De warmte die vrijkomt door het stuk koper wordt geïnvesteerd in al het volgende:

- Verwarm het water in de calorimeter (200 g)

- Verwarm het koper waaruit de calorimeter is gemaakt (150 g)

- Verdamp 1,2 gram water (er is ook energie nodig voor een faseverandering).

Dus:

- 38,5. (38 - T _o ) = 22397,3

De warmte die nodig is om de 1,2 g water op 100ºC te brengen, had ook kunnen worden overwogen, maar in vergelijking is het een vrij kleine hoeveelheid.

Referenties

1. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6 ^e . Ed Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6 ^ta Bewerken afgekort. Cengage leren. 156-164.
3. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
4. Sears, Zemansky. 2016. Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14 ^e . Ed. Deel 1. 556 - 553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning.