Formules de chaleur et unités, caractéristiques, comment est mesuré, exemples

Il chaleur En physique, il est défini comme le Énergie thermique transférée à condition que des objets ou des substances à température différente soient mis en contact. Ce transfert d'énergie et tous les processus qui y sont liés sont l'objet d'étude de la thermodynamique, une branche importante de la physique.

La chaleur est l'une des multiples formes qui adopte l'énergie et l'une des plus familières. C'est pourquoi il vaut la peine de demander d'où il vient. La réponse est dans les atomes et les molécules qui composent la question. Ces particules à l'intérieur des choses ne sont pas statiques. Nous pouvons les imaginer comme de petits comptes unis par des sources souples, capables de rétrécir et d'étirer facilement.

Les atomes et les molécules vibrent des substances à l'intérieur, ce qui se traduit par l'énergie interne. Source: P. Tippens. Physique: concepts et applications.

De cette façon, les particules sont capables de vibrer et leur énergie peut être facilement transférée à d'autres particules, ainsi que d'un corps à l'autre.

La quantité de chaleur qu'un corps absorbe ou donne, dépend de la nature de la substance, de sa masse et de la différence de température. Il est calculé comme ceci:

Q = M.C_et .Δt

Où Q C'est la quantité de chaleur transférée, m C'est la masse de l'objet, C_et C'est la chaleur spécifique de la substance et Δt = t_final - T_initial, c'est-à-dire la différence de température.

Comme toutes les formes d'énergie, la chaleur est mesurée Joules, Dans le système international (SI). Les autres unités appropriées sont: ergios Dans le système CGS, BTU Dans le système britannique, et le calorie, un terme d'utilisation commun pour connaître la teneur en énergie des aliments.

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Caractéristiques de la chaleur

La chaleur du feu est de l'énergie dans le transfert. Source: Pixabay

Il y a plusieurs concepts clés qui doivent être pris en compte:

-La chaleur est à propos Énergie en transit. Les objets n'ont pas de chaleur, ils ne le donnent ou ne l'absorbent pas en fonction de la circonstance. Ce que font les objets énergie interne, Sous sa configuration interne.

Cette énergie interne à son tour est composée d'énergie cinétique associée au mouvement vibratoire et à l'énergie potentielle, typique de la configuration moléculaire. Selon cette configuration, une substance transférera de plus ou plus facilement la chaleur et cela se reflète dans sa chaleur spécifique C_et, La valeur mentionnée dans l'équation pour calculer q.

-Le deuxième concept important est que la chaleur est toujours transférée du corps le plus chaud au plus froid. L'expérience indique que la chaleur du café chaud passe toujours vers la porcelaine de la tasse et de l'assiette, ou vers le métal de la cuillère avec laquelle il est remué.

-La quantité de chaleur attribuée ou absorbée dépend de la masse du corps en question. Ajoutez la même quantité de calories ou de joules à un échantillon avec la pâte x ne chauffe pas à une autre dont la masse est 2x.

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La raison? Il y a plus de particules dans le plus grand échantillon, et chacun ne recevrait en moyenne que la moitié de l'énergie que le plus petit échantillon.

Équilibre thermique et conservation de l'énergie

L'expérience nous indique que lorsque nous mettons deux objets à une température différente, la température des deux sera en même temps. Alors on peut affirmer que les objets ou les systèmes, comme ils peuvent également être appelés, sont dans équilibre thermique.

D'un autre côté, réfléchissant à la façon d'augmenter l'énergie interne d'un système isolé, il est conclu qu'il existe deux mécanismes possibles:

i) Chauffer, c'est-à-dire transférer de l'énergie d'un autre système.

i) faire un certain type de travail mécanique sur lui.

Compte tenu de cette énergie est préservée:

Toute augmentation de l'énergie interne du système est égale à la quantité de chaleur qui a ajouté plus le travail qui y est fait.

Dans le cadre de la thermodynamique, ce principe de conservation est connu Première loi de la thermodynamique. Nous disons que le système doit être isolé, sinon d'autres sorties d'entrée ou d'énergie doivent être prises en compte dans la solde.

Comment la chaleur est-elle mesurée?

La chaleur est mesurée en fonction de l'effet qu'il produit. C'est donc le sentiment de contact qui informe rapidement à quel point une boisson, un repas ou n'importe quel objet est chaud ou froid. Depuis que la chaleur ou l'absorption se traduit par des changements de température, la mesure de celle-ci a une idée de la quantité de chaleur qu'il a été transféré.

L'instrument utilisé pour mesurer la température est le thermomètre, un appareil fourni avec une échelle graduée pour effectuer la lecture. Le plus connu est le thermomètre Mercury, qui se compose d'un fin capillaire de mercure fin qui se développe lors du chauffage.

Un thermomètre avec graduation dans les échelles de Celsius et Fahrenheit. Source: Pixabay.

Ensuite, le capillaire plein de mercure est inséré dans un tube en verre avec une échelle et met en contact avec le corps dont la température doit être mesurée jusqu'à ce qu'ils atteignent l'équilibre thermique et la température des deux est la même.

Ce qui est nécessaire pour faire un thermomètre?

Pour commencer, il est nécessaire d'avoir une propriété thermométrique, c'est-à-dire celle qui varie avec la température.

Par exemple, un gaz ou un liquide comme le mercure, se développez lors du chauffage, bien qu'il sert également une résistance électrique, qui émet de la chaleur lorsqu'elle est traversée par un courant. En bref, toute propriété thermométrique facilement mesurable peut être utilisée.

Si la température t est directement proportionnel à la propriété thermométrique X, Ensuite, vous pouvez écrire:

t = kx

Où k C'est la constante de proportionnalité à déterminer lorsque deux températures appropriées sont définies et les valeurs correspondantes de X. Les températures appropriées sont faciles à obtenir en laboratoire.

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Une fois les couples établis (t₁, X₁) et (t₂, X₂), L'intervalle entre eux est divisé en parties égales, ce seront les notes.

Échelles de température

La sélection des températures nécessaires pour construire une échelle de température est faite avec le critère qu'ils sont faciles à obtenir en laboratoire. L'une des échelles les plus utilisées dans le monde est l'échelle Celsius, créée par le scientifique suédois Anders Celsius (1701-1744).

Le 0 de l'échelle Celsius est la température à laquelle la glace et l'eau liquide sont en équilibre à 1 atmosphère de pression, tandis que l'arrêt supérieur est choisi lorsque l'eau liquide et la vapeur d'eau sont également en équilibre et à 1 atmosphère de pression. Cet intervalle est divisé en 100 degrés, chacun est appelé degré centigrade.

Ce n'est pas le seul moyen de construire une échelle, encore moins. Il existe d'autres échelles différentes, comme l'échelle Fahrenheit, dans laquelle des intervalles ont été choisis avec d'autres valeurs. Et il y a l'échelle de Kelvin, qui n'a qu'un arrêt inférieur: le zéro absolu.

Le zéro absolu correspond à la température dans laquelle chaque mouvement de particules dans une substance cesse complètement, cependant, bien qu'il ait été assez proche, aucune substance n'a encore été refroidie au zéro absolu.

Exemples

Tous éprouvent de la chaleur quotidiennement, directement ou indirectement. Par exemple, lorsqu'une boisson chaude est prise, lors de la réception du soleil de midi, en examinant la température du moteur d'une voiture, dans une pièce pleine de personnes et dans d'innombrables situations supplémentaires.

Sur Terre, la chaleur est nécessaire pour maintenir les processus de la vie, à la fois celui qui vient du soleil et celui qui quitte l'intérieur de la planète.

De même, le climat est entraîné par des changements d'énergie thermique qui se produisent dans l'atmosphère. La chaleur du soleil n'atteint pas l'égalité de partout, les latitudes équatoriales arrivent plus que les pôles, de sorte que l'air le plus chaud des tropiques monte et se déplace vers le nord et le sud, pour atteindre l'équilibre thermique qui a été discuté avant.

De cette façon, les courants d'air sont établis à différentes vitesses, qui transportent les nuages ​​et la pluie. D'un autre côté, la collision brutale entre les fronts chauds et froids provoque des phénomènes tels que les tempêtes, les tornades et les ouragans.

D'un autre côté, à un niveau plus proche, la chaleur peut ne pas être aussi bienvenue qu'un coucher de soleil sur la plage. La chaleur provoque des problèmes de fonctionnement dans les moteurs de voiture et les processeurs informatiques.

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Il entraîne également la perte d'électricité dans les câbles de conduite et les matériaux, donc le traitement thermique est si important dans tous les domaines de l'ingénierie.

Exercices

- Exercice 1

Sur l'étiquette d'un bonbon, des lectures qui contribuent 275 calories. Combien d'énergie en joules équivaut à ce bonbon?

Solution

Au début, la calorie avait été mentionnée comme une unité de chaleur. Les aliments contiennent de l'énergie qui est généralement mesurée dans ces unités, mais manger des calories est en fait des kilocalories.

L'équivalence est la suivante: 1 kcal = 4186 J, et il est conclu que le régal a:

275 kilocalories x 4186 Joule / kilocaloria = 1.15 10⁶ J.

- Exercice 2

100 g sont chauffés à un métal jusqu'à 100 ° C et le placent dans un calorimètre avec 300 g d'eau à 20 ° C. La température acquise par le système lorsqu'elle atteint l'équilibre est de 21.44 ° C. Il est demandé de déterminer la chaleur spécifique du métal, en supposant que le calorimètre n'absorbe pas la chaleur.

Solution

Dans cette situation, le métal donne de la chaleur, que nous appellerons q_Scèsement Et un signe (-) est mis avant d'indiquer la perte:

Q_Scèsement = m_métal .CE_métal. Δt

Pour sa part, l'eau du calorimètre absorbe la chaleur, qui sera considérée comme absorbée:

Q_absorbé = m_eau .CE _eau . Δt

L'énergie est préservée, à partir de laquelle il résulte que:

Q_Scèsement = Q_absorbé

À partir de l'instruction que vous pouvez calculer Δt:

Métal: Δt = t_final - T_initial= (21.44 - 100) ºC = -78.56 ºC = -78.56 K.

Eau: Δt = T_final - T_initial= (21.44 - 20) ºC = 1.44 ºC = 1.44 K.

Important: 1 ºC est de la même taille que 1 Kelvin. La différence entre les deux échelles est que l'échelle de Kelvin est absolue (les notes Kelvin sont toujours positives).

La chaleur spécifique de l'eau à 20 ºC est de 4186 J / kg. K et avec cela, vous pouvez déjà calculer la chaleur absorbée:

Q_absorbé = m_eau .CE _eau . ΔT = 300 x 10^-3 kg . 4186 J / kg . K . 1.44 K = 1808.35 J.

Pour conclure, la chaleur spécifique du métal est dégagée:

CE _métal = Q _absorbé / -M _métal . ΔT _métal  = 1808.35 J / - [(100 x 10^-3 kg. (-78.56 k)] = 230.2 J / kg.K

Les références

1. Bauer, w. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. Volume 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, J.POUR. FISCA II: approche de compétence. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6^faire Édition abrégée. Cengage Learning.
4. Chevalier, r.  2017. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique.  Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Physique: concepts et applications. 7e édition. McGraw Hill