GEVOELIGE WARMTE: CONCEPT, FORMULES EN OPGELOSTE OEFENINGEN - FYSIEK - 2024

De voelbare warmte is de thermische energie die aan een object wordt geleverd doordat de temperatuur stijgt. Het is het tegenovergestelde van latente warmte, waarbij thermische energie de temperatuur niet verhoogt maar een faseverandering bevordert, bijvoorbeeld van vast naar vloeibaar.

Een voorbeeld verduidelijkt het concept. Stel dat we een pot water hebben op kamertemperatuur van 20 ° C. Wanneer we het op het fornuis plaatsen, verhoogt de toegevoerde warmte de temperatuur van het water langzaam tot 100 ° C (kooktemperatuur van water op zeeniveau). De geleverde warmte wordt voelbare warmte genoemd.

De warmte die de handen verwarmt, is voelbare warmte. Bron: Pixabay

Zodra het water het kookpunt bereikt, verhoogt de warmte die door de brander wordt geleverd niet langer de temperatuur van het water, dat op 100 ° C blijft. In dit geval wordt de geleverde thermische energie geïnvesteerd in het verdampen van het water. De toegevoerde warmte is latent omdat deze de temperatuur niet heeft verhoogd, maar in plaats daarvan heeft geleid tot een overgang van de vloeistoffase naar de gasfase.

Het is een experimenteel feit dat de voelbare warmte die nodig is om een ​​bepaalde temperatuurvariatie te bereiken, recht evenredig is met die variatie en met de massa van het object.

Concept en formules

Waargenomen is dat behalve de massa en het temperatuurverschil, voelbare warmte ook afhankelijk is van het materiaal. Om deze reden wordt de evenredigheidsconstante tussen voelbare warmte en het product van massa en temperatuurverschil specifieke warmte genoemd.

De hoeveelheid voelbare warmte die wordt geleverd, hangt ook af van hoe het proces wordt uitgevoerd. Het is bijvoorbeeld anders als het proces bij constant volume wordt uitgevoerd dan bij constante druk.

De formule voor voelbare warmte in een isobaar proces, dat wil zeggen bij constante druk, is de volgende:

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

In de bovenstaande vergelijking is Q de voelbare warmte die wordt geleverd aan het object met massa m, dat zijn begintemperatuur T _i heeft verhoogd tot de eindwaarde Tf. In de vorige vergelijking verschijnt ook cp, de soortelijke warmte van het materiaal bij constante druk omdat het proces op deze manier is uitgevoerd.

Merk ook op dat voelbare warmte positief is wanneer deze door het object wordt geabsorbeerd en een temperatuurstijging veroorzaakt.

In het geval dat warmte wordt geleverd aan een gas dat is ingesloten in een stijve houder, zal het proces isochoor zijn, dat wil zeggen bij constant volume; en de voelbare warmteformule wordt als volgt geschreven:

Q = c v. m. (T f - T ik)

De adiabatische coëfficiënt γ

Het quotiënt tussen de soortelijke warmte bij constante druk en de soortelijke warmte bij constant volume voor hetzelfde materiaal of dezelfde stof wordt de adiabatische coëfficiënt genoemd, die doorgaans wordt aangeduid met de Griekse letter gamma γ.

De adiabatische coëfficiënt is groter dan de eenheid. De warmte die nodig is om de temperatuur van een lichaam van één gram met één graad te verhogen, is bij een isobaar proces groter dan bij een isochoor proces.

Dit komt doordat in het eerste geval een deel van de warmte wordt gebruikt om mechanische werkzaamheden uit te voeren.

Naast soortelijke warmte wordt meestal ook de warmtecapaciteit van een lichaam gedefinieerd. Dit is de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van dat lichaam met één graad Celsius te verhogen.

Warmtecapaciteit C

Warmtecapaciteit wordt aangegeven met een hoofdletter C, terwijl soortelijke warmte met een kleine c. De relatie tussen beide grootheden is:

C = c⋅ m

Waar m de massa van het lichaam is.

Molaire soortelijke warmte wordt ook gebruikt, die wordt gedefinieerd als de hoeveelheid voelbare warmte die nodig is om een ​​temperatuur van één mol stof met één graad Celsius of Kelvin te verhogen.

Specifieke warmte in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen

De molaire soortelijke warmte van de meeste vaste stoffen heeft een waarde die dicht bij 3 keer R ligt, waarbij R de universele gasconstante is. R = 8,314472 J / (mol *).

Aluminium heeft bijvoorbeeld een molaire soortelijke warmte van 24,2 J / (mol ℃), koper 24,5 J / (mol ℃), goud 25,4 J / (mol ℃) en zacht ijzer 25,1 J / (mol ℃). Merk op dat deze waarden dicht bij 3R = 24,9 J / (mol ℃) liggen.

Daarentegen ligt voor de meeste gassen de molaire soortelijke warmte dicht bij n (R / 2), waarbij n een geheel getal is en R de universele gasconstante. Het gehele getal n is gerelateerd aan het aantal vrijheidsgraden van het molecuul waaruit het gas bestaat.

In een mono-atomair ideaal gas, waarvan het molecuul alleen de drie translationele vrijheidsgraden heeft, is de molaire soortelijke warmte bij constant volume bijvoorbeeld 3 (R / 2). Maar als het een diatomisch ideaal gas is, zijn er bovendien twee rotatiegraden, dus cv = 5 (R / 2).

In ideale gassen geldt de volgende relatie tussen molaire soortelijke warmte bij constante druk en constant volume: cp = cv + R.

Het water verdient een speciale vermelding. In vloeibare toestand bij 25 ℃ heeft water cp = 4,1813 J / (g ℃), waterdamp bij 100 graden Celsius heeft cp = 2,080 J / (g ℃) en waterijs bij nul graden Celsius heeft cp = 2050 J / (g *).

Verschil met latente warmte

Materie kan in drie toestanden zijn: vast, vloeibaar en gasvormig. Er is energie nodig om van toestand te veranderen, maar elke stof reageert er op een andere manier op volgens zijn moleculaire en atomaire kenmerken.

Wanneer een vaste stof smelt of een vloeistof verdampt, blijft de temperatuur van het object constant totdat alle deeltjes van toestand zijn veranderd.

Om deze reden is het mogelijk dat een stof in twee fasen in evenwicht is: bijvoorbeeld vast - vloeibaar of vloeibaar - damp. Een hoeveelheid van de stof kan van de ene toestand naar de andere worden overgebracht door een beetje warmte toe te voegen of te verwijderen, terwijl de temperatuur constant blijft.

De warmte die aan een materiaal wordt geleverd, zorgt ervoor dat de deeltjes sneller trillen en hun kinetische energie verhogen. Dit vertaalt zich in een stijging van de temperatuur.

Het is mogelijk dat de energie die ze verwerven zo groot is dat ze niet meer terugkeren naar hun evenwichtspositie en de scheiding tussen hen toeneemt. Wanneer dit gebeurt, stijgt de temperatuur niet, maar gaat de stof van vast naar vloeibaar of van vloeistof naar gas.

De warmte die hiervoor nodig is, staat bekend als latente warmte. Daarom is latente warmte de warmte waarmee een stof van fase kan veranderen.

Hier is het verschil met voelbare warmte. Een stof die voelbare warmte opneemt, verhoogt zijn temperatuur en blijft in dezelfde staat.

Hoe latente warmte berekenen?

Latente warmte wordt berekend door de vergelijking:

Waar L de soortelijke verdampingswarmte of de smeltwarmte kan zijn. De eenheden van L zijn energie / massa.

Wetenschappers hebben warmte verschillende namen gegeven, afhankelijk van het type reactie waaraan het deelneemt. Er is bijvoorbeeld de reactiewarmte, de verbrandingswarmte, de verhardingswarmte, de oplossingswarmte, de sublimatiewarmte en vele andere.

De waarden van veel van deze soorten warmte voor verschillende stoffen worden in tabelvorm weergegeven.

Opgeloste oefeningen

voorbeeld 1

Stel dat een stuk aluminium van 3 kg massa heeft. In eerste instantie is het 20 ° C en wil je de temperatuur verhogen tot 100 ° C. Bereken de voelbare warmte die nodig is.

Oplossing

Eerst moeten we de soortelijke warmte van aluminium kennen

cp = 0,897 J / (g ° C)

Dan is de hoeveelheid warmte die nodig is om het stuk aluminium te verwarmen

Q = cpm (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215280 J.

Voorbeeld 2

Bereken de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 liter water op zeeniveau van 25 ° C naar 100 ° C te verwarmen. Druk het resultaat ook uit in kilocalorieën.

Oplossing

Het eerste dat u moet onthouden, is dat 1 liter water 1 kg weegt, dat wil zeggen 1000 gram.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

De calorie is een eenheid van energie die wordt gedefinieerd als de voelbare warmte die nodig is om een ​​gram water met één graad Celsius te verhogen. Daarom is 1 calorie gelijk aan 4,1813 joule.

Q = 313597,5 J * (1 cal / 4,1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.

Voorbeeld 3

Een stuk materiaal van 360,16 gram wordt verwarmd van 37 ℃ tot 140 ℃. De geleverde thermische energie is 1150 calorieën.

Verwarmen van het monster. Bron: zelf gemaakt.

Zoek de soortelijke warmte van het materiaal.

Oplossing

We kunnen de soortelijke warmte schrijven als functie van de voelbare warmte, de massa en de variatie van de temperatuur volgens de formule:

cp = Q / (m ΔT)

Als we de gegevens vervangen, hebben we het volgende:

cp = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0,0310 cal / (g ℃)

Maar aangezien één calorie gelijk is aan 4,1813 J, kan het resultaat ook worden uitgedrukt als

cp = 0,130 J / (g ℃)

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. Tippens, P. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e. Herziene editie. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14 ^e . Deel 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.