Formules absorbées de chaleur, comment le calculer et résoudre les exercices

Il chaleur absorbée Il est défini comme le transfert d'énergie entre deux corps à des températures différentes. Celui avec une température plus basse absorbe la chaleur que ce qui est à une température plus élevée. Lorsque cela se produit, l'énergie thermique de la substance qui absorbe la chaleur augmente, et les particules qui la composent vibrent plus rapidement, augmentant son énergie cinétique.

Cela peut se traduire par une augmentation de la température ou un changement d'état. Par exemple, passer du solide au liquide, comme la glace lorsqu'il fondit en contact avec de l'eau ou du soda à température ambiante.

La cuillère à café en métal absorbe la chaleur du café chaud. Source: Pixabay.

Grâce à la chaleur, il est également possible que les objets changent leurs dimensions. La dilatation thermique est un bon exemple de ce phénomène. Lorsque la plupart des substances sont chauffées, elles connaissent généralement une augmentation de leurs dimensions.

Une exception à cela est l'eau. La même quantité d'eau liquide augmente son volume lorsqu'elle est refroidie en dessous de 4 ºC. De plus, les changements de température peuvent également subir des changements au niveau de leur densité, quelque chose également très observable dans le cas de l'eau.

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Qu'est-ce que et les formules

Dans le cas de l'énergie en transit, les unités de la chaleur absorbées sont les joules. Cependant, pendant longtemps, la chaleur avait ses propres unités: la calorie.

Aujourd'hui encore, cette unité est utilisée pour quantifier la teneur en énergie des aliments, bien qu'en réalité une calorie alimentaire correspond à une kilocaloire de chaleur.

Calories

La calorie, abrégée comme chaux, C'est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 gramme d'eau par 1 º C.

Au XIXe siècle, Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) a réalisé une célèbre expérience dans laquelle il a réussi à transformer le travail mécanique en chaleur, obtenant l'équivalence suivante:

1 calorique = 4.186 Joules

En unités britanniques, l'unité de chaleur est appelée BTU (Unité thermique britannique), qui est défini comme la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une livre d'eau dans 1 ºF.

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L'équivalence entre les unités est la suivante:

1 BTU = 252 calories

Le problème avec ces anciennes unités est que la quantité de chaleur dépend de la température. C'est-à-dire que ce n'est pas la même chose qui doit passer de 70 ºC à 75 ° C que celle nécessaire pour chauffer l'eau de 9 ° C à 10 ºC, par exemple.

C'est pourquoi la définition envisage des intervalles bien définis: 14.5 à 15.5 ° C et 63 à 64 ° F pour les calories et le BTU respectivement.

Ce qui dépend de la quantité de chaleur absorbée?

La quantité de chaleur absorbée qui collecte un matériau dépend de plusieurs facteurs:

- Masse. Plus la masse est élevée, plus elle est capable de chaleur.

- Caractéristiques de la substance. Il y a des substances qui, selon leur structure moléculaire ou atomique, sont capables d'absorber plus de chaleur que d'autres.

- Température. Il est nécessaire d'ajouter plus de chaleur pour obtenir une température plus élevée.

La quantité de chaleur, désignée comme Q, Il est proportionnel aux facteurs décrits. Par conséquent, vous pouvez écrire comme:

Q = M.c.ΔT

Où m C'est la masse de l'objet, c est une constante appelée chaleur spécifique, une propriété intrinsèque de la substance et δT C'est la variation de température obtenue en absorbant la chaleur.

Δt = t_F - T_soit

Cette différence a un signe positif, car lorsque l'absorption de la chaleur est à prévoir que T_F > T_soit. Cela se produit à moins que la substance ne connaisse un changement de phase, comme l'eau lorsque le liquide de vapeur passe. Lorsque l'eau bouille, sa température reste constante à environ 100 º C, quelle que soit sa vitesse.

Comment le calculer?

En contactant deux objets à une température différente, après un certain temps, ils atteignent tous les deux l'équilibre thermique. Ainsi, les températures sont égalisées et le transfert de chaleur cesse. La même chose se produit si plus de deux objets sont en contact. Après un certain temps, tout le monde sera à la même température.

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En supposant que les objets en contact forment un système fermé, à partir duquel la chaleur ne peut pas s'échapper, le principe de conservation de l'énergie est appliqué, il peut donc être affirmé que:

Q _absorbé = - Q _Scèsement

Cela représente un bilan énergétique, similaire à celui des entrées et des dépenses d'une personne. C'est pourquoi la chaleur cédée a un signe négatif, car pour l'objet qui donne, la température finale est inférieure à l'initiale. Donc:

Δt = t_F - T_soit < 0

L'équation q _absorbé = - Q _Scèsement Il est utilisé chaque fois que deux objets sont en contact.

Le bilan énergétique

Pour effectuer le bilan énergétique, il est nécessaire de distinguer les objets qui absorbent la chaleur de ceux qui donnent, alors:

Σ q_k= 0

C'est-à-dire que la somme des gains d'énergie et des pertes dans un système fermé doit être égal à 0.

La chaleur spécifique d'une substance

Pour calculer la quantité de chaleur absorbée, vous devez connaître la chaleur spécifique de chaque substance participante. Il s'agit de la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 g de matériau par 1 º C. Ses unités dans le système international sont: Joule / kg . K.

Il existe des tables avec la chaleur spécifique de nombreuses substances, généralement calculées en utilisant un calorimètre ou des outils similaires.

Un exemple de comment calculer la chaleur spécifique d'un matériau

250 calories sont nécessaires pour augmenter la température d'un anneau métallique de 20 à 30 ºC. Si l'anneau a une masse de 90 g. Quelle est la chaleur spécifique dans les unités SI?

Solution

Les unités sont d'abord converties:

Q = 250 calories = 1046.5 J

m = 90 g = 90 x 10^-3 kg

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Exercice résolu

Une tasse en aluminium contient 225 g d'eau et un agitateur de cuivre de 40 g, le tout à 27 ° C. Un échantillon de 400 g d'argent à une température initiale de 87 ° C est placé dans l'eau.

L'agitateur est utilisé pour remuer le mélange jusqu'à ce qu'il atteigne sa température d'équilibre finale de 32 ° C. Calculez la masse de la tasse en aluminium, étant donné qu'il n'y a pas de pertes de chaleur vers l'environnement.

Schéma de calorimètre. Source: solidewiki.

Approche

Comme indiqué ci-dessus, il est important de distinguer les objets qui donnent de la chaleur de ceux qui absorbent:

- Tasse en aluminium, agitateur en cuivre et en eau absorbent la chaleur.

- L'échantillon en argent donne de la chaleur.

Données

Les chaleurs spécifiques de chaque substance sont fournies:

- Argent: C = 234 J / kg. ºC

- Cuivre: c = 387 j / kg. ºC

- Aluminium C = 900 J / kg. ºC

- Eau C = 4186 J / kg. ºC

La chaleur absorbée ou affectée par chaque substance est calculée par équation:

Q = M.c.λT

Solution

Argent

Q _Scèsement = 400 x 10 ^-3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J

Agitateur en cuivre

Q _absorbé = 40 x 10 ^-3 . 387 x (32 - 27) J = 77.4 J

Eau

Q _absorbé = 225 x 10 ^-3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709.25 J

Tasse en aluminium

Q _absorbé = m _aluminium . 900 x (32 - 27) J = 4500 .m _aluminium

Faire l'utilisation de:

Σ q_k= 0

77.4 + 4709.25 + 4500 .m _aluminium = - (-5148)

Enfin, la masse en aluminium est dégagée:

m _aluminium = 0.0803 kg = 80.3 g

Les références

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3. Rex, un. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson. 309 - 332.
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