WARMTE: FORMULES EN EENHEDEN, KENMERKEN, HOE DEZE TE METEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2024

De warmte in de natuurkunde wordt gedefinieerd als de thermische energie die wordt overgedragen wanneer ze in contact komen met objecten of stoffen met een verschillende temperatuur. Deze energieoverdracht en alle daarmee samenhangende processen is het onderwerp van studie van de thermodynamica, een belangrijke tak van de fysica.

Warmte is een van de vele vormen die energie aanneemt, en een van de meest bekende. Dus waar komt het vandaan? Het antwoord ligt in de atomen en moleculen waaruit materie bestaat. Deze deeltjes in dingen zijn niet statisch. We kunnen ze voorstellen als kleine kralen die met elkaar zijn verbonden door zachte veren, die gemakkelijk kunnen krimpen en uitrekken.

Atomen en moleculen trillen binnen stoffen, wat wordt vertaald in interne energie. Bron: P. Tippens. Fysica: concepten en toepassingen.

Op deze manier kunnen de deeltjes trillen en kan hun energie gemakkelijk worden overgedragen op andere deeltjes, en ook van het ene lichaam naar het andere.

De hoeveelheid warmte die een lichaam opneemt of afgeeft, is afhankelijk van de aard van de stof, de massa en het temperatuurverschil. Het wordt als volgt berekend:

Waar Q de hoeveelheid overgedragen warmte is, m de massa van het object, C _e de soortelijke warmte van de stof en ΔT = _{uiteindelijke} T - _initiële T , dat wil zeggen, het temperatuurverschil.

Zoals alle vormen van energie, wordt warmte gemeten in joules, in het Internationale Systeem (SI). Andere geschikte eenheden zijn: ergs in het cgs-systeem, Btu in het Britse systeem en de calorie, een term die vaak wordt gebruikt voor de energie-inhoud van voedingsmiddelen.

Warmte-eigenschappen

De warmte van het kampvuur is de overdracht van energie. Bron: Pixabay

Er zijn verschillende sleutelbegrippen om in gedachten te houden:

-Warmte gaat over energie die onderweg is. Voorwerpen hebben geen warmte, ze geven deze alleen af ​​of absorberen deze afhankelijk van de omstandigheden. Wat objecten wel hebben, is interne energie, vanwege hun interne configuratie.

Deze interne energie is op zijn beurt samengesteld uit kinetische energie geassocieerd met trillingsbeweging en potentiële energie, typisch voor de moleculaire configuratie. Volgens deze configuratie zal een stof meer of minder gemakkelijk warmte overdragen en dit wordt weerspiegeld in zijn soortelijke warmte C _e , de waarde die werd genoemd in de vergelijking om Q te berekenen.

-Het tweede belangrijke concept is dat warmte altijd wordt overgedragen van het heetste lichaam naar het koudste. De ervaring leert dat de warmte van hete koffie altijd gaat naar het porselein van de kop en het bord, of het metaal van de lepel waarmee deze wordt geroerd, nooit andersom.

-De hoeveelheid overgedragen of opgenomen warmte hangt af van de massa van het betreffende lichaam. Het toevoegen van dezelfde hoeveelheid calorieën of joules aan een monster met X-massa verwarmt niet op dezelfde manier als een ander waarvan de massa 2x is.

De reden? Er zijn meer deeltjes in het grotere monster en elk zou gemiddeld slechts de helft van de energie van het kleinere monster ontvangen.

Thermisch evenwicht en behoud van energie

De ervaring leert dat wanneer we twee objecten met verschillende temperaturen in contact brengen, de temperatuur van beide na een tijdje hetzelfde zal zijn. Dan kan gesteld worden dat de objecten of systemen, zoals ze ook wel genoemd kunnen worden, in thermisch evenwicht verkeren.

Aan de andere kant, als we nadenken over hoe de interne energie van een geïsoleerd systeem kan worden verhoogd, wordt geconcludeerd dat er twee mogelijke mechanismen zijn:

i) Het verwarmen, dat wil zeggen, energie overbrengen van een ander systeem.

ii) Voer er een soort mechanisch werk aan uit.

Rekening houdend met het feit dat energie wordt bespaard:

In het kader van de thermodynamica staat dit conserveringsprincipe bekend als de eerste wet van de thermodynamica. We zeggen dat het systeem geïsoleerd moet zijn, omdat het anders nodig zou zijn om andere energie-inputs of -outputs in de balans te overwegen.

Hoe wordt warmte gemeten?

Warmte wordt gemeten op basis van het effect dat het produceert. Daarom is het de tastzin die snel aangeeft hoe warm of koud een drankje, voedsel of welk voorwerp dan ook is. Omdat het overbrengen of absorberen van warmte leidt tot temperatuurveranderingen, geeft het meten hiervan een idee hoeveel warmte er is overgedragen.

Het instrument dat wordt gebruikt om de temperatuur te meten, is de thermometer, een apparaat dat is uitgerust met een schaalverdeling om de meting uit te voeren. De bekendste is de kwikthermometer, die bestaat uit een fijne capillair van kwik die bij verhitting uitzet.

Een thermometer met schaalverdeling in Celsius- en Fahrenheit-schalen. Bron: Pixabay.

Het met kwik gevulde capillair wordt vervolgens in een glazen buis met een schaalverdeling gestoken en in contact gebracht met het lichaam, waarvan de temperatuur moet worden gemeten totdat ze thermisch evenwicht bereiken en de temperatuur van beide hetzelfde is.

Wat is er nodig om een ​​thermometer te maken?

Om te beginnen moet u een thermometrische eigenschap hebben, dat wil zeggen een eigenschap die varieert met de temperatuur.

Een gas of een vloeistof zoals kwik zet bijvoorbeeld uit bij verhitting, hoewel ook een elektrische weerstand dient, die warmte afgeeft wanneer er een stroom doorheen gaat. Kortom, elke thermometrische eigenschap die gemakkelijk meetbaar is, kan worden gebruikt.

Als de temperatuur t recht evenredig is met de thermometrische eigenschap X, dan kan worden geschreven:

Waarbij k de evenredigheidsconstante is die moet worden bepaald wanneer twee geschikte temperaturen zijn ingesteld en de overeenkomstige waarden van X worden gemeten. Door de juiste temperaturen is het gemakkelijk te verkrijgen in het laboratorium.

Zodra de paren (t ₁ , X ₁ ) en (t ₂ , X ₂ ) zijn vastgesteld, wordt het interval ertussen verdeeld in gelijke delen, dit zijn de graden.

Temperatuurschalen

De selectie van de temperaturen die nodig zijn om een ​​temperatuurschaal op te stellen, gebeurt met het criterium dat ze gemakkelijk te verkrijgen zijn in het laboratorium. Een van de meest gebruikte schalen ter wereld is de schaal van Celsius, gemaakt door de Zweedse wetenschapper Anders Celsius (1701-1744).

De 0 op de schaal van Celsius is de temperatuur waarbij ijs en vloeibaar water in evenwicht zijn bij 1 atmosfeer druk, terwijl de bovengrens wordt gekozen wanneer vloeibaar water en waterdamp in evenwicht zijn en bij 1 atmosfeer druk. Dit interval is verdeeld in 100 graden, die elk een graad Celsius worden genoemd.

Dit is niet de enige manier om een ​​weegschaal te bouwen, verre van dat. Er zijn andere verschillende schalen, zoals de Fahrenheit-schaal, waarbij de intervallen zijn gekozen met andere waarden. En er is de Kelvin-schaal, die alleen een ondergrens heeft: het absolute nulpunt.

Het absolute nulpunt komt overeen met de temperatuur waarbij alle beweging van deeltjes in een stof volledig stopt, maar hoewel het redelijk dichtbij is gekomen, heeft het nog geen enkele stof tot het absolute nulpunt kunnen afkoelen.

Voorbeelden

Iedereen ervaart dagelijks warmte, direct of indirect. Bijvoorbeeld als je een warme drank drinkt, in de middagzon, de temperatuur van een automotor bekijkt, in een kamer vol mensen en in talloze andere situaties.

Op aarde is warmte nodig om levensprocessen in stand te houden, zowel datgene wat van de zon komt als dat wat uit het binnenste van de planeet komt.

Evenzo wordt het klimaat aangedreven door veranderingen in thermische energie die in de atmosfeer optreden. De hitte van de zon bereikt niet overal evenveel, op equatoriale breedtegraden bereikt hij meer dan aan de polen, dus de heetste lucht in de tropen stijgt op en beweegt naar het noorden en zuiden om een ​​thermisch evenwicht te bereiken daar was al eerder over gesproken.

Op deze manier worden met verschillende snelheden luchtstromen tot stand gebracht die wolken en regen transporteren. Aan de andere kant veroorzaakt de plotselinge botsing tussen hete en koude luchtfronten verschijnselen als stormen, tornado's en orkanen.

Daarentegen is de hitte op een lager niveau misschien niet zo welkom als een zonsondergang op het strand. Warmte veroorzaakt problemen met de werking van automotoren en computerprocessors.

Het zorgt er ook voor dat elektrische energie verloren gaat in geleidingskabels en dat materialen uitzetten, en daarom is warmtebehandeling zo belangrijk in alle technische gebieden.

Opdrachten

- Oefening 1

Op het etiket van een snoepje staat dat het 275 calorieën bevat. Aan hoeveel energie in joules is dit snoepje gelijk?

Oplossing

In het begin werd de calorie als eenheid voor warmte genoemd. Voedsel bevat energie die meestal in deze eenheden wordt gemeten, maar calorieën in de voeding zijn eigenlijk kilocalorieën.

De gelijkwaardigheid is als volgt: 1 kcal = 4186 J, en er wordt geconcludeerd dat het snoepje heeft:

275 kilocalorieën x 4186 joule / kilocalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Oefening 2

100 g van een metaal wordt verwarmd tot 100 ° C en in een calorimeter geplaatst met 300 g water van 20 ° C. De temperatuur die het systeem verkrijgt wanneer het evenwicht bereikt, is 21,44 ° C. U wordt gevraagd om de soortelijke warmte van het metaal te bepalen, ervan uitgaande dat de calorimeter geen warmte opneemt.

Oplossing

In deze situatie geeft het metaal warmte op, die we Q _gegeven zullen noemen en er wordt een teken (-) voor geplaatst om verlies aan te geven:

Van zijn kant absorbeert het water in de calorimeter warmte, die wordt aangeduid als Q geabsorbeerd:

Er wordt energie bespaard, waaruit volgt dat:

Uit de verklaring kunt u ΔT berekenen:

Belangrijk: 1 ºC is even groot als 1 kelvin. Het verschil tussen de twee schalen is dat de Kelvin-schaal absoluut is (Kelvin-graden zijn altijd positief).

De soortelijke warmte van water bij 20ºC is 4186 J / kg. K en hiermee kan de opgenomen warmte worden berekend:

Tot slot wordt de soortelijke warmte van het metaal gewist:

Referenties

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Deel 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approach by Competences. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6 ^ta Bewerken afgekort. Cengage leren.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a strategy approach. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. Mcgraw heuvel