Formule di calore e unità, caratteristiche, come vengono misurate, esempi

Lui Calore In fisica è definito come il Energia termica trasferita a condizione che gli oggetti o le sostanze che si trovano a temperature diverse siano messe in contatto. Questo trasferimento di energia e tutti i processi collegati ad esso sono l'oggetto dello studio della termodinamica, un importante ramo della fisica.

Il calore è una delle forme molteplici che adotta energia e una delle più familiari. Ecco perché vale la pena chiederti da dove viene. La risposta è negli atomi e nelle molecole che compongono la questione. Queste particelle all'interno delle cose non sono statiche. Possiamo immaginarli come piccoli resoconti uniti da molle morbide, in grado di restringere e allungarsi facilmente.

Gli atomi e le molecole vibrano sostanze all'interno, che si traducono in energia interna. Fonte: p. Tippens. Fisica: concetti e applicazioni.

In questo modo, le particelle sono in grado di vibrare e la loro energia può essere facilmente trasferita ad altre particelle e anche da un corpo all'altro.

La quantità di calore che un corpo assorbe o produce, dipende dalla natura della sostanza, dalla sua massa e dalla differenza di temperatura. È calcolato in questo modo:

Q = m.C_E .Δt

Dove Q È la quantità di calore trasferito, M È la massa dell'oggetto, C_E È il calore specifico della sostanza e ΔT = T_finale - T_iniziale, cioè la differenza di temperatura.

Come tutte le forme di energia, il calore viene misurato in Joules, In The International System (SI). Altre unità appropriate sono: ergios Nel sistema CGS, Btu Nel sistema britannico e nel caloria, un termine di uso comune per conoscere il contenuto energetico del cibo.

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Caratteristiche di calore

Il calore dell'incendio è energia nel trasferimento. Fonte: Pixabay

Esistono diversi concetti chiave che devono essere presi in considerazione:

-Il calore è circa Energia in transito. Gli oggetti non hanno calore, lo danno o lo assorbono solo in base alla circostanza. Cosa fanno gli oggetti Energia interna, Sotto la sua configurazione interna.

Questa energia interna a sua volta, è composta da energia cinetica associata al movimento vibratorio e all'energia potenziale, tipica della configurazione molecolare. Secondo questa configurazione, una sostanza trasferirà il calore più o più facilmente e questo si riflette nel suo calore specifico C_E, Il valore menzionato nell'equazione per calcolare Q.

-Il secondo concetto importante è che il calore viene sempre trasferito dal corpo più caldo al più freddo. L'esperienza indica che il calore del caffè caldo passa sempre verso la porcellana della tazza e il piatto, o sul metallo del cucchiaio con cui è mescolato.

-La quantità di calore assegnata o assorbita dipende dalla massa del corpo in questione. Aggiungi la stessa quantità di calorie o joule a un campione con pasta x non si riscalda fino a un altro la cui massa è 2x.

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La ragione? Ci sono più particelle nel campione più grande e ognuna riceverebbe in media solo la metà dell'energia rispetto al campione più piccolo.

Equilibrio termico e risparmio energetico

L'esperienza ci dice che quando mettiamo due oggetti di temperatura diversa, la temperatura di entrambi sarà lo stesso tempo. Allora si può affermare che sono in chiamate oggetti o sistemi, come possono anche essere chiamati equilibrio termale.

D'altra parte, riflettendo su come aumentare l'energia interna di un sistema isolato, si è concluso che ci sono due possibili meccanismi:

i) riscaldarlo, cioè trasferire energia da un altro sistema.

i) Fai qualche tipo di lavoro meccanico su di lui.

Tenendo conto che l'energia viene conservata:

Qualsiasi aumento dell'energia interna del sistema è uguale alla quantità di calore che viene aggiunta più il lavoro svolto su di esso.

Nell'ambito della termodinamica, questo principio di conservazione è noto Prima legge della termodinamica. Diciamo che il sistema deve essere isolato, altrimenti altre uscite di entrata o energia dovrebbero essere considerate nel bilanciamento.

Come viene misurato il calore?

Il calore viene misurato in base all'effetto che produce. Pertanto è il senso del tatto che informa rapidamente quanto è caldo o freddo un drink, un pasto o qualsiasi oggetto. Poiché dare o assorbire il calore si traduce in variazioni di temperatura, la misurazione di questo ha un'idea di quanto calore è stato trasferito.

Lo strumento utilizzato per misurare la temperatura è il termometro, un dispositivo fornito con una scala graduata per eseguire la lettura. Il più noto è il termometro a mercurio, che consiste in un bel capillare di mercurio che si espande durante il riscaldamento.

Un termometro con laurea in scale Celsius e Fahrenheit. Fonte: Pixabay.

Quindi il capillare pieno di mercurio viene inserito in un tubo di vetro con una scala e si mette in contatto con il corpo la cui temperatura dovrebbe essere misurata fino a raggiungere l'equilibrio termico e la temperatura di entrambi è la stessa.

Cosa è necessario per creare un termometro?

Per iniziare, è necessario avere una proprietà termometrica, cioè una che varia con la temperatura.

Ad esempio un gas o un liquido come il mercurio, si espande durante il riscaldamento, sebbene serva anche resistenza elettrica, che emette calore quando attraversato da una corrente. In breve, è possibile utilizzare qualsiasi proprietà termometrica facilmente misurabile.

Se la temperatura T è direttamente proporzionale alla proprietà termometrica X, Quindi puoi scrivere:

t = kx

Dove K È la costante di proporzionalità da determinare quando sono impostate due temperature appropriate e i valori corrispondenti di X. Temperature appropriate significa facile da ottenere in laboratorio.

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Una volta stabilite le coppie (T₁, X₁) E (T₂, X₂), L'intervallo tra loro è diviso in parti uguali, questi saranno i voti.

Scale di temperatura

La selezione delle temperature necessarie per costruire una scala di temperatura viene effettuata con il criterio che sono facili da ottenere in laboratorio. Una delle scale più utilizzate in tutto il mondo è la scala Celsius, creata dallo scienziato svedese Anders Celsius (1701-1744).

Lo 0 della scala Celsius è la temperatura alla quale il ghiaccio e l'acqua liquida sono in equilibrio con 1 atmosfera di pressione, mentre la fermata superiore è scelta quando l'acqua liquida e il vapore acqueo sono ugualmente in equilibrio e con 1 atmosfera di pressione. Questo intervallo è diviso in 100 gradi, ognuno dei quali viene chiamato grado centigrado.

Questo non è l'unico modo per costruire una scala, molto meno. Esistono altre scale diverse, come la scala Fahrenheit, in cui sono stati scelti intervalli con altri valori. E c'è la scala Kelvin, che ha solo una fermata inferiore: lo zero assoluto.

Lo zero assoluto corrisponde alla temperatura in cui ogni movimento di particelle in una sostanza cessa completamente, tuttavia, sebbene sia stato abbastanza vicino, nessuna sostanza non è stata ancora raffreddata allo zero assoluto.

Esempi

Tutti sperimentano il calore quotidianamente, direttamente o indirettamente. Ad esempio, quando viene presa una bevanda calda, quando si riceve il sole di mezzogiorno, esamina la temperatura del motore di un'auto, in una stanza piena di persone e in innumerevoli altre situazioni.

Sulla terra, il calore è necessario per mantenere i processi della vita, sia quello che viene dal sole che quello che lascia l'interno del pianeta.

Allo stesso modo, il clima è guidato da cambiamenti nell'energia termica che si verificano nell'atmosfera. Il calore del sole non raggiunge uguale a ovunque, le latitudini equatoriali arriva più dei poli, quindi l'aria più calda dei tropici si alza e si muove a nord e sud, per raggiungere l'equilibrio termico che era stato discusso in precedenza.

In questo modo, le correnti d'aria sono stabilite a velocità diverse, che trasportano nuvole e pioggia. D'altra parte, la brusca collisione tra fronti caldi e freddi, provoca fenomeni come tempeste, tornado e uragani.

D'altra parte, a un livello più attento, il calore potrebbe non essere il benvenuto come un tramonto sulla spiaggia. Il calore provoca problemi di funzionamento nei motori auto e nei processori di computer.

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Causa anche l'elettricità per la perdita di cavi e materiali di guida, quindi il trattamento termico è così importante in tutte le aree dell'ingegneria.

Esercizi

- Esercizio 1

Sull'etichetta di una caramella si legge che contribuisce con 275 calorie. Quanta energia in Joules è equivalente a questa caramella?

Soluzione

All'inizio le calorie erano state menzionate come unità per il calore. Gli alimenti contengono energia che di solito viene misurata in queste unità, ma mangiare calorie sono in realtà chilocalorie.

L'equivalenza è la seguente: 1 kcal = 4186 j, e si è concluso che il trattamento ha:

275 chilocalorie x 4186 Joule/Kilocaloria = 1.15 10⁶ J.

- Esercizio 2

100 g vengono riscaldati su un metallo fino a 100 ° C e lo posizionano in un calorimetro con 300 g di acqua a 20 ° C. La temperatura acquisita dal sistema quando raggiunge l'equilibrio è 21.44 ° C. È richiesto di determinare il calore specifico del metallo, supponendo che il calorimetro non assorbi il calore.

Soluzione

In questa situazione il metallo dà calore, che chiameremo Q_Scarsamente E un segno (-) viene inserito prima di indicare la perdita:

Q_Scarsamente = m_metallo .EC_metallo. Δt

Da parte sua, l'acqua del calorimetro assorbe il calore, che sarà indicato come assorbito:

Q_assorbito = m_acqua .EC _acqua . Δt

L'energia è conservata, da cui segue:

Q_Scarsamente = Q_assorbito

Dall'istruzione è possibile calcolare Δt:

Metallo: ΔT = T_finale - T_iniziale= (21.44 - 100) ºC = -78.56 ºC = -78.56 k.

Acqua: Δt = t_finale - T_iniziale= (21.44 - 20) ºC = 1.44 ºC = 1.44 k.

Importante: 1 ºC ha le stesse dimensioni di 1 Kelvin. La differenza tra le due scale è che la scala Kelvin è assoluta (i gradi Kelvin sono sempre positivi).

Il calore specifico dell'acqua a 20 ºC è 4186 J/kg. K e con questo puoi già calcolare il calore assorbito:

Q_assorbito = m_acqua .EC _acqua . ΔT = 300 x 10^-3 kg . 4186 J/kg . K . 1.44 K = 1808.35 J.

Per concludere, il calore specifico del metallo viene eliminato:

EC _metallo = Q _assorbito /-M _metallo . ΔT _metallo  = 1808.35 J / -[(100 x 10^-3 kg. (-78.56 K)] = 230.2 J/kg.K

Riferimenti

1. Bauer, w. 2011. Fisica per ingegneria e scienze. Volume 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, J.A. FISCA II: approccio alle competenze. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, l. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6^ta Edizione abbreviata. Apprendimento del Cengage.
4. Cavaliere, r.  2017. Fisica per scienziati e ingegneria: un approccio strategico.  Pearson.
5. Tippens, p. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7a edizione. McGraw Hill