Concept de chaleur sensible, formules et exercices résolus

Il Chaleur sensible C'est l'énergie thermique fournie à un objet provoquant une augmentation de sa température. C'est l'opposé de la chaleur latente, dans laquelle l'énergie thermique n'augmente pas la température mais favorise un changement de phase, par exemple du solide au liquide.

Un exemple clarifie le concept. Supposons que nous ayons un pot avec une température d'eau de 20 ° C. Lorsque nous le plaçons dans la corne, la chaleur fournie augmente lentement la température de l'eau à 100 ° C (température d'ébullition de l'eau au niveau de la mer). La chaleur fournie est appelée chaleur sensible.

La chaleur qui chauffe vos mains est une chaleur sensible. Source: Pixabay

Une fois que l'eau atteint la température d'ébullition, la chaleur fournie par le Hornilla n'augmente plus la température de l'eau, qui reste à 100 ° C.  Dans ce cas, l'énergie thermique fournie est investie dans l'évaporation de l'eau. La chaleur fournie est latente car elle n'a pas augmenté la température, mais a provoqué un changement de phase liquide en phase gazeuse.

C'est un fait expérimental que la chaleur sensible nécessaire pour atteindre une certaine variation de température est directement proportionnelle à cette variation et à la masse de l'objet.

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Concept et formules

Il a été observé qu'en dehors de la masse et de la différence de température, la chaleur sensible dépend également du matériau. Pour cette raison, la constante de proportionnalité entre la chaleur sensible et le produit de la masse par la différence de température est appelée chaleur spécifique.

La quantité de chaleur sensible fournie dépend également de la façon dont le processus est effectué. Par exemple, il est différent si le processus est effectué à un volume constant qu'une pression constante.

La formule de chaleur sensible dans un processus isobare, c'est-à-dire une pression constante, c'est la suivante:

Q = CP . m (tF - TToi)

Dans l'équation précédente Q C'est la chaleur sensible fournie à l'objet de masse m, qui a augmenté sa température initiale T_Toi Jusqu'à la valeur finale TF. Dans l'équation précédente, il apparaît également cp, qui est la chaleur spécifique du matériau à pression constante car le processus a été effectué de cette manière.

Notez que la chaleur sensible est positive lorsqu'elle est absorbée par l'objet et provoque une augmentation de la température.

Dans le cas où un gaz enfermé dans un récipient rigide est fourni, le processus sera isocoric, c'est-à-dire à un volume constant; Et la formule de chaleur sensible sera écrite comme ceci:

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Q = CV. m . (TF - TToi)

Le coefficient adiabatique γ

Le rapport entre la chaleur spécifique à une pression constante et la chaleur spécifique à un volume constant pour le même matériau ou la même substance est appelée Coefficient adiabatique, qui est généralement indiqué avec la lettre gamma gamma γ.

Il Coefficient adiabatique est plus grand que l'unité. La chaleur nécessaire pour élever la température d'un corps d'un gramme de masse à une qualité est plus élevée dans un processus isobare que dans un isococ.

En effet, dans le premier cas, la partie de la chaleur est utilisée pour faire des travaux mécaniques.

En plus de la chaleur spécifique, la capacité thermique d'un corps est généralement définie. C'est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de ce corps à un degré centigrade.

Capacité thermique c

La capacité thermique est indiquée avec C majuscule, tandis que la chaleur spécifique avec c inférieur inférieur. La relation entre les deux montants est:

C = c⋅ m

Où m C'est la masse du corps.

Une chaleur spécifique molaire est également utilisée, qui est définie comme la quantité de chaleur sensible nécessaire pour relever à une température Celsius ou Kelvin.

Chaleur spécifique dans les solides, les liquides et les gaz

La chaleur molaire spécifique de la plupart des solides a une valeur proche de 3 fois R, où R C'est la constante universelle des gaz. R = 8,314472 J / (mol ℃).

Par exemple, l'aluminium a une chaleur molaire spécifique 24.2 J / (mol ℃), le cuivre 24,5 J / (mol ℃), l'or 25,4 J / (mol ℃), et le fer sucré 25.1 J / (mol ℃). Notez que ces valeurs sont proches de 3r = 24,9 J / (mol ℃).

D'un autre côté, pour la plupart des gaz, la chaleur spécifique est proche de N (r / 2), où est n un entier et R C'est la constante universelle des gaz. L'entier n est lié au nombre de degrés de liberté de la molécule qui forme le gaz.

Par exemple, dans un gaz monoatomique idéal, dont la molécule n'a que les trois degrés de liberté, la chaleur molaire spécifique au volume constant est 3 (r / 2). Mais s'il s'agit d'un gaz diatomique idéal, deux degrés de rotation sont également, donc cV = 5 (r / 2).

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Dans les gaz idéaux, la relation suivante entre la chaleur molaire de chaleur spécifique et le volume constant est remplie: cp = CV + R.

La mention latérale mérite l'eau. À l'état liquide à 25 ℃ d'eau a cp = 4 1813 J / (g ℃), Vapeur d'eau à 100 degrés Celsius cp = 2 080 J / (g ℃) Et la glace d'eau à zéro grade Celsius a cp = 2 050 J / (g ℃).

Différence avec la chaleur latente

La matière peut être trouvée dans trois États: solide, liquide et gazeux. Pour changer l'état, l'énergie est nécessaire, mais chaque substance y répond d'une manière différente en fonction de ses caractéristiques moléculaires et atomiques.

Lorsqu'un solide fond ou un liquide s'évapore, la température de l'objet reste constante jusqu'à ce que toutes les particules aient changé son statut.

Par conséquent, il est possible qu'une substance soit en même temps en équilibre en deux phases: solide - liquide ou liquide - vapeur, par exemple. Une quantité de substance peut passer d'un état à l'autre en ajoutant ou en éliminant un peu de chaleur, tandis que la température reste fixe.

La chaleur fournie à un matériau fait vibrer ses particules plus rapidement et augmenter son énergie cinétique. Cela se traduit par une augmentation de la température.

Il est possible que l'énergie qu'ils acquièrent soit si grande qu'elles ne reviennent plus à leur position d'équilibre et augmentent la séparation entre eux. Lorsque cela se produit, la température n'augmente pas, mais la substance passe du solide au liquide ou au liquide gaz.

Dans la chaleur nécessaire pour que cela se produise, il est connu sous le nom chaleur latente. Par conséquent, la chaleur latente est la chaleur par laquelle une substance peut changer de phase.

Voici la différence avec la chaleur sensible. Une substance qui absorbe la chaleur sensible augmente sa température et reste dans le même état.

Comment calculer la chaleur latente?

La chaleur latente est calculée par équation:

Q = M . L

Où L Il peut s'agir de la chaleur spécifique de vaporisation ou de fusion. Les unités de L Ils sont de l'énergie / masse.

Les scientifiques ont donné de nombreuses confessions thermiques, selon le type de réaction dans laquelle il participe. Ainsi, par exemple, il y a la chaleur de réaction, la chaleur de combustion, la chaleur de solidification, la chaleur de la solution, la chaleur de sublimation et bien d'autres.

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Les valeurs de bon nombre de ces types de chaleur pour différentes substances sont tabulées.

Exercices résolus

Exemple 1

Supposer celui qui a 3 kg d'aluminium de masse. Initialement, il est à 20 ° C et vous voulez augmenter sa température jusqu'à 100 ° C. Calculez la chaleur sensible nécessaire.

Solution

Nous devons d'abord connaître la chaleur spécifique de l'aluminium

cp = 0,897 J / (g ° C)

Ainsi, la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer le morceau d'aluminium sera

Q = Cp m (tf - ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215280 J

Exemple 2

Calculez la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 litre d'eau de 25 ° C à 100 ° C au niveau de la mer. Exprimer le résultat également en kilocalories.

Solution

La première chose dont nous devons nous souvenir, c'est que 1 litre d'eau pèse 1 kg, soit 1000 grammes.

Q = Cp m (tf - ti) = 4 1813 j / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

Le caloria est une unité d'énergie définie comme la chaleur sensible nécessaire pour élever un gramme d'eau à un Celsius. Par conséquent, 1 calorique équivaut à 4 1813 joules.

Q = 313597,5 J * (1 Cal / 4.1813 J) = 75000 Lime = 75 kcal.

Exemple 3

Un morceau de matériau à 360,16 grammes est chauffé de 37 ℃ à 140 ℃. L'énergie thermique fournie est de 1150 calories.

Chauffer l'échantillon. Source: auto-faite.

Trouvez la chaleur spécifique du matériau.

Solution

Nous pouvons écrire la chaleur spécifique en fonction de la chaleur sensible, de la variation de la masse et de la température en fonction de la formule:

cp = Q / (m Δt)  

Remplacement des données que nous avons ce qui suit:

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

Mais comme une calorie équivaut à 4 1813 J, le résultat peut également être exprimé comme

cp = 0,130 J / (g ℃)

Les références

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