Concetto di calore sensibile, formule ed esercizi risolti

Lui Calore sensibile È l'energia termica fornita a un oggetto che causa l'aumento della sua temperatura. È l'opposto del calore latente, in cui l'energia termica non aumenta la temperatura ma promuove un cambiamento di fase, ad esempio da solido a liquido.

Un esempio chiarisce il concetto. Supponiamo di avere una pentola con temperatura dell'acqua di 20 ° C. Quando lo posizioniamo nel corno, il calore fornito aumenta lentamente la temperatura dell'acqua a 100 ° C (temperatura bollente dell'acqua a livello del mare). Il calore fornito è chiamato calore sensibile.

Il calore che riscalda le mani è un calore sensibile. Fonte: Pixabay

Una volta che l'acqua raggiunge la temperatura di ebollizione, il calore fornito dall'Hornilla non aumenta più la temperatura dell'acqua, che rimane a 100 ° C.  In questo caso, l'energia termica fornita è investita nell'evaporazione dell'acqua. Il calore fornito è latente perché non ha aumentato la temperatura, ma ha causato una variazione della fase liquida alla fase gassosa.

È un fatto sperimentale che il calore sensibile necessario per ottenere una determinata variazione di temperatura è direttamente proporzionale a quella variazione e alla massa dell'oggetto.

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Concetto e formule

È stato osservato che, a parte la differenza di massa e temperatura, il calore sensibile dipende anche dal materiale. Per questo motivo, la costante di proporzionalità tra il calore sensibile e il prodotto della massa per la differenza di temperatura è chiamata calore specifico.

La quantità di calore sensibile fornito dipende anche da come viene eseguito il processo. Ad esempio, è diverso se il processo viene effettuato a volume costante rispetto alla pressione costante.

La formula per il calore sensibile in un processo isobarico, Vale a dire una pressione costante, è la seguente:

Q = cp . M (tF - TYo)

Nell'equazione precedente Q È il calore sensibile fornito all'oggetto di massa M, che ha aumentato la sua temperatura iniziale T_Yo Fino al valore finale Tf. Nell'equazione precedente appare anche CP, che è il calore specifico del materiale a pressione costante perché il processo è stato effettuato in questo modo.

Si noti che il calore sensibile è positivo quando viene assorbito dall'oggetto e provoca un aumento della temperatura.

Nel caso in cui viene fornito un gas racchiuso in un contenitore rigido, il processo sarà isocorico, cioè a volume costante; E la formula di calore sensibile sarà scritta in questo modo:

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Q = cv. M . (TF - TYo)

Il coefficiente adiabatico γ

Viene chiamato il rapporto tra il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costante per lo stesso materiale o sostanza Coefficiente adiabatico, che è generalmente indicato con la lettera gamma γ gamma.

Lui Coefficiente adiabatico è maggiore dell'unità. Il calore necessario per aumentare la temperatura di un corpo di un grammo di massa a un grado è maggiore in un processo isobarico che in un isocorico.

Questo perché nel primo caso la parte del calore viene utilizzata per fare un lavoro meccanico.

Oltre al calore specifico, la capacità di calore di un corpo è generalmente definita. Questa è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di quel corpo di un grado centigraggio.

Capacità termica c

La capacità termica è indicata con C maiuscolo, mentre il calore specifico con C minuscolo. La relazione tra i due importi è:

C = C = M

Dove M È la massa del corpo.

Viene anche utilizzato il calore specifico del molare, che è definito come la quantità di calore sensibile necessario per alzarsi a una temperatura Celsius o Kelvin.

Calore specifico in solidi, liquidi e gas

Il calore molare specifico della maggior parte dei solidi ha un valore vicino a 3 volte R, Dove R È la costante universale dei gas. R = 8.314472 J/(mol ℃).

Ad esempio, l'alluminio ha un calore molare specifico 24,2 J/(mol ℃), Rame 24,5 J/(mol ℃), oro 25,4 J/(mol ℃), e ferro dolce 25.1 J/(mol ℃). Si noti che questi valori sono vicini 3r = 24,9 J/(mol ℃).

D'altra parte, per la maggior parte dei gas il calore specifico è vicino N (r/2), Dov'è N un numero intero e R È la costante universale dei gas. L'intero N è correlato al numero di gradi di libertà della molecola che forma il gas.

Ad esempio, in un gas monoatomico ideale, la cui molecola ha solo i tre gradi di libertà, il calore molare specifico a volume costante è 3 (r/2). Ma se è un gas diatomico ideale, sono inoltre due gradi di rotazione, quindi Cv = 5 (r/2).

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Nei gas ideali viene soddisfatta la seguente relazione tra il calore molare di calore e il volume costante: CP = cv + R.

La menzione laterale merita l'acqua. In stato liquido a 25 ℃ l'acqua ha CP = 4.1813 J/(G ℃), Il vapore acqueo a 100 gradi Celsius ha CP = 2.080 J/(G ℃) E il ghiaccio d'acqua a zero grado Celsius ha CP = 2.050 J/(G ℃).

Differenza con il calore latente

La materia può essere trovata in tre stati: solido, liquido e gassoso. Per cambiare lo stato, è necessaria l'energia, ma ogni sostanza risponde in modo diverso in base alle sue caratteristiche molecolari e atomiche.

Quando si scioglie un solido o un liquido, la temperatura dell'oggetto rimane costante fino a quando tutte le particelle non hanno cambiato il suo stato.

Pertanto, è possibile che una sostanza sia allo stesso tempo in equilibrio in due fasi: solido - liquido o liquido - vapore, ad esempio. Una quantità di sostanza può passare da uno stato all'altro aggiungendo o rimuovendo un po 'di calore, mentre la temperatura rimane fissa.

Il calore fornito a un materiale fa vibrare le sue particelle più rapidamente e aumentano la sua energia cinetica. Questo si traduce in un aumento della temperatura.

È possibile che l'energia che acquisiscono sia così grande che non tornano più alla loro posizione di equilibrio e aumentano la separazione tra di loro. Quando ciò accade, la temperatura non aumenta, ma la sostanza passa da solido a liquido o fluido a gas.

Nel calore necessario che ciò accada è noto come Calore latente. Pertanto, il calore latente è il calore con cui una sostanza può cambiare fase.

Ecco la differenza con il calore sensibile. Una sostanza che assorbe il calore sensibile aumenta la sua temperatura e rimane nello stesso stato.

Come calcolare il calore latente?

Il calore latente viene calcolato per equazione:

Q = m . L

Dove L Può essere il calore specifico di vaporizzazione o fusione. Le unità di L Sono energia/massa.

Gli scienziati hanno dato numerose denominazioni di calore, a seconda del tipo di reazione a cui partecipa. Pertanto, ad esempio, c'è il calore di reazione, il calore della combustione, il calore della solidificazione, il calore della soluzione, il calore della sublimazione e molti altri.

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I valori di molti di questi tipi di calore per diverse sostanze sono tabulati.

Esercizi risolti

Esempio 1

Supponiamo che uno che abbia un 3 kg di alluminio di massa. Inizialmente è a 20 ° C e si desidera aumentare la temperatura fino a 100 ° C. Calcola il calore sensibile necessario.

Soluzione

Per prima cosa dobbiamo conoscere il calore specifico dell'alluminio

CP = 0,897 J / (G ° C)

Quindi, la quantità di calore necessaria per riscaldare il pezzo di alluminio sarà

Q = cP m (tf - ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) j

Q = 215280 J

Esempio 2

Calcola la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 litro di acqua da 25 ° C a 100 ° C a livello del mare. Esprimere il risultato anche nei chilocalorie.

Soluzione

La prima cosa che dovremmo ricordare è che 1 litro di acqua pesa 1 kg, cioè 1000 grammi.

Q = cP m (tf - ti) = 4.1813 j/(g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 j

La caloria è un'unità di energia definita come il calore sensibile necessario per sollevare un grammo di acqua a un Celsius. Pertanto, 1 calorie è equivalente a 4.1813 joules.

Q = 313597.5 J * (1 cal / 4.1813 j) = 75000 lime = 75 kcal.

Esempio 3

Un pezzo di materiale a 360,16 grammi viene riscaldato da 37 ℃ a 140 ℃. L'energia termica fornita è di 1150 calorie.

Riscaldamento del campione. Fonte: sé realizzato.

Trova il calore specifico del materiale.

Soluzione

Possiamo scrivere il calore specifico in base al calore sensibile, alla massa e alla variazione di temperatura secondo la formula:

CP = Q /(M ΔT)  

Sostituzione dei dati abbiamo quanto segue:

CP = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0.0310 cal / (g ℃)

Ma poiché una caloria è equivalente a 4.1813 j, il risultato può anche essere espresso come

CP = 0,130 J / (G ℃)

Riferimenti

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