Das heiß in der Physik ist es definiert als die Wärmeenergie übertragen wenn Gegenstände oder Substanzen mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt kommen. Dieser Energietransfer und alle damit verbundenen Prozesse sind Gegenstand der Untersuchung der Thermodynamik, einem wichtigen Zweig der Physik..
Wärme ist eine der vielen Formen, die Energie annimmt, und eine der bekanntesten. Woher kommt es also? Die Antwort liegt in den Atomen und Molekülen, aus denen die Materie besteht. Diese Partikel in Dingen sind nicht statisch. Wir können sie uns als kleine Perlen vorstellen, die durch weiche Federn verbunden sind und leicht schrumpfen und dehnen können..
Auf diese Weise können die Partikel vibrieren und ihre Energie kann leicht auf andere Partikel und auch von einem Körper auf einen anderen übertragen werden..
Die Wärmemenge, die ein Körper aufnimmt oder abgibt, hängt von der Art der Substanz, ihrer Masse und dem Temperaturunterschied ab. Es wird wie folgt berechnet:
Q = m.C.und .ΔT
Wo Q. ist die übertragene Wärmemenge, m ist die Masse des Objekts, C.und ist die spezifische Wärme des Stoffes und ΔT = T.Finale - T.Initiale, das heißt, die Temperaturdifferenz.
Wie alle Energieformen wird Wärme in gemessen Joule, im Internationalen System (SI). Andere geeignete Einheiten sind: ergs im CGS-System, Btu im britischen System, und die Kalorie, ein häufig verwendeter Begriff für den Energiegehalt von Lebensmitteln.
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Es sind mehrere Schlüsselkonzepte zu beachten:
-Hitze ist ungefähr Energie auf dem Transportweg. Die Objekte haben keine Wärme, sie geben sie nur oder absorbieren sie je nach den Umständen. Was Objekte haben, ist innere Energie, aufgrund seiner internen Konfiguration.
Diese innere Energie setzt sich wiederum aus kinetischer Energie zusammen, die mit der Vibrationsbewegung und der für die molekulare Konfiguration typischen potentiellen Energie verbunden ist. Entsprechend dieser Konfiguration überträgt eine Substanz Wärme mehr oder weniger leicht und dies spiegelt sich in ihrer spezifischen Wärme wider C.und, der Wert, der in der Gleichung zur Berechnung von Q erwähnt wurde.
-Das zweite wichtige Konzept ist, dass Wärme immer vom wärmeren auf den kälteren Körper übertragen wird. Die Erfahrung zeigt, dass die Wärme von heißem Kaffee immer auf das Porzellan der Tasse und des Tellers oder auf das Metall des Löffels, mit dem es gerührt wird, gelangt, niemals umgekehrt..
-Die Menge der übertragenen oder absorbierten Wärme hängt von der Masse des betreffenden Körpers ab. Das Hinzufügen der gleichen Menge an Kalorien oder Joule zu einer Probe mit X-Masse erwärmt sich nicht auf die gleiche Weise wie eine andere Probe, deren Masse 2X beträgt.
Der Grund? Die größere Probe enthält mehr Partikel, und jede Partikel würde im Durchschnitt nur die Hälfte der Energie der kleineren Probe erhalten..
Die Erfahrung zeigt, dass, wenn wir zwei Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt bringen, nach einer Weile die Temperatur beider Objekte gleich ist. Dann kann bestätigt werden, dass sich die Objekte oder Systeme, wie sie auch genannt werden können, in befinden thermisches Gleichgewicht.
Wenn man darüber nachdenkt, wie die innere Energie eines isolierten Systems erhöht werden kann, wird der Schluss gezogen, dass es zwei mögliche Mechanismen gibt:
i) Erhitzen, dh Energieübertragung von einem anderen System.
ii) Führen Sie eine mechanische Arbeit daran durch.
Unter Berücksichtigung der Energieeinsparung:
Jede Erhöhung der inneren Energie des Systems entspricht der hinzugefügten Wärmemenge zuzüglich der daran geleisteten Arbeit..
Im Rahmen der Thermodynamik wird dieses Erhaltungsprinzip als Erster Hauptsatz der Thermodynamik. Wir sagen, dass das System isoliert werden muss, da sonst andere Energieein- oder -ausgänge in der Waage berücksichtigt werden müssten.
Die Wärme wird nach dem Effekt gemessen, den sie erzeugt. Daher ist es der Tastsinn, der schnell darüber informiert, wie heiß oder kalt ein Getränk, ein Lebensmittel oder ein Gegenstand ist. Da die Übertragung oder Absorption von Wärme zu Temperaturänderungen führt, gibt die Messung eine Vorstellung davon, wie viel Wärme übertragen wurde.
Das Instrument zur Temperaturmessung ist das Thermometer, ein Gerät, das mit einer abgestuften Skala zur Durchführung der Messung ausgestattet ist. Am bekanntesten ist das Quecksilberthermometer, das aus einer feinen Quecksilberkapillare besteht, die sich beim Erhitzen ausdehnt.
Als nächstes wird die mit Quecksilber gefüllte Kapillare in ein Glasrohr mit einer Skala eingeführt und mit dem Körper in Kontakt gebracht, dessen Temperatur gemessen werden muss, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen und die Temperatur von beiden gleich ist..
Zu Beginn ist eine thermometrische Eigenschaft erforderlich, die sich mit der Temperatur ändert.
Beispielsweise dehnen sich ein Gas oder eine Flüssigkeit wie Quecksilber beim Erhitzen aus, obwohl auch ein elektrischer Widerstand dient, der Wärme abgibt, wenn ein Strom durch ihn fließt. Kurz gesagt, jede thermometrische Eigenschaft, die leicht messbar ist, kann verwendet werden.
Wenn die Temperatur t ist direkt proportional zur thermometrischen Eigenschaft X., dann kannst du schreiben:
t = kX
Wo k ist die Proportionalitätskonstante, die zu bestimmen ist, wenn zwei geeignete Temperaturen eingestellt werden und die entsprechenden Werte von X.. Angemessene Temperaturen sind im Labor leicht zu erreichen.
Sobald die Paare hergestellt wurden (t1, X.1) Y (tzwei, X.zwei), Teilen Sie das Intervall zwischen ihnen in gleiche Teile, dies sind die Grade.
Die Auswahl der für die Erstellung einer Temperaturskala erforderlichen Temperaturen erfolgt nach dem Kriterium, dass sie im Labor leicht zu erhalten sind. Eine der weltweit am häufigsten verwendeten Skalen ist die Celsius-Skala, die vom schwedischen Wissenschaftler Anders Celsius (1701-1744) erstellt wurde..
Die 0 auf der Celsius-Skala ist die Temperatur, bei der sich Eis und flüssiges Wasser bei 1 Druckatmosphäre im Gleichgewicht befinden, während die Obergrenze gewählt wird, wenn sich flüssiges Wasser und Wasserdampf gleichermaßen im Gleichgewicht und bei 1 Druckatmosphäre befinden. Dieses Intervall ist in 100 Grad unterteilt, von denen jeder aufgerufen wird Grad Celsius.
Dies ist nicht die einzige Möglichkeit, eine Waage zu erstellen, weit davon entfernt. Es gibt andere verschiedene Skalen, z. B. die Fahrenheit-Skala, in der die Intervalle mit anderen Werten ausgewählt wurden. Und da ist die Kelvin-Skala, die nur eine Untergrenze hat: den absoluten Nullpunkt..
Der absolute Nullpunkt entspricht der Temperatur, bei der jede Bewegung von Partikeln in einem Stoff vollständig aufhört. Obwohl er ziemlich nahe gekommen ist, war es noch nicht möglich, einen Stoff auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen..
Jeder erlebt täglich Hitze, entweder direkt oder indirekt. Zum Beispiel, wenn Sie in der Mittagssonne ein heißes Getränk trinken, die Temperatur eines Automotors untersuchen, in einem überfüllten Raum und in unzähligen anderen Situationen..
Auf der Erde ist Wärme notwendig, um Lebensprozesse aufrechtzuerhalten, sowohl die, die von der Sonne kommen, als auch die, die aus dem Inneren des Planeten kommen..
Ebenso wird das Klima durch Änderungen der Wärmeenergie in der Atmosphäre bestimmt. Die Sonnenwärme erreicht nicht überall gleich viel, in äquatorialen Breiten erreicht sie mehr als an den Polen, so dass die heißeste Luft in den Tropen aufsteigt und sich nach Norden und Süden bewegt, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, über das zuvor gesprochen wurde.
Auf diese Weise werden Luftströmungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erzeugt, die Wolken und Regen transportieren. Andererseits verursacht die plötzliche Kollision zwischen heißen und kalten Luftfronten Phänomene wie Stürme, Tornados und Hurrikane..
Auf einer näheren Ebene ist die Hitze möglicherweise nicht so willkommen wie ein Sonnenuntergang am Strand. Hitze verursacht Betriebsprobleme in Automotoren und Computerprozessoren.
Außerdem geht elektrische Energie in Leitungskabeln und -materialien verloren, weshalb die Wärmebehandlung in allen Bereichen der Technik so wichtig ist.
Auf einem Bonbonetikett steht, dass es 275 Kalorien liefert. Wie viel Energie in Joule ist diese Süßigkeit?
Zu Beginn war die Kalorie als Wärmeeinheit erwähnt worden. Lebensmittel enthalten Energie, die normalerweise in diesen Einheiten gemessen wird, aber diätetische Kalorien sind tatsächlich Kilokalorien.
Die Äquivalenz ist die folgende: 1 kcal = 4186 J, und es wird geschlossen, dass die Süßigkeit hat:
275 Kilokalorien x 4186 Joule / Kilokalorie = 1,15 106 J..
100 g eines Metalls werden auf 100 ° C erhitzt und mit 300 g Wasser bei 20 ° C in ein Kalorimeter gegeben. Die Temperatur, die das System erreicht, wenn es das Gleichgewicht erreicht, beträgt 21,44 ° C. Sie werden gebeten, die spezifische Wärme des Metalls zu bestimmen, vorausgesetzt, das Kalorimeter nimmt keine Wärme auf.
In dieser Situation gibt das Metall Wärme ab, die wir Q nennen werdengab nach und ein Zeichen (-) wird vorangestellt, um den Verlust anzuzeigen:
Q.gab nach = mMetall .EGMetall. ΔT
Das Wasser im Kalorimeter absorbiert seinerseits Wärme, die als Q-absorbiert bezeichnet wird:
Q.absorbiert = mWasser .EG Wasser . ΔT
Energie wird gespart, woraus folgt:
Q.gab nach = Q.absorbiert
Aus der Aussage können Sie berechnen ΔT::
Metall: ΔT = T.Finale - T.Initiale= (21,44 - 100) ºC = -78,56 ºC = -78,56 K..
Wasser: ΔT = T.Finale - T.Initiale= (21,44 - 20) ºC = 1,44 ºC = 1,44 K..
Wichtig: 1 ºC entspricht der Größe von 1 Kelvin. Der Unterschied zwischen beiden Skalen besteht darin, dass die Kelvin-Skala absolut ist (Kelvin-Grade sind immer positiv)..
Die spezifische Wärme von Wasser bei 20 ° C beträgt 4186 J / kg. K und damit kann die aufgenommene Wärme berechnet werden:
Q.absorbiert = mWasser .EG Wasser . ΔT = 300 × 10-3 kg. 4186 J / kg. K. K. 1,44 K = 1808,35 J..
Abschließend wird die spezifische Wärme des Metalls gelöscht:
EG Metall = Q. absorbiert / -m Metall . ΔT. Metall = 1808,35 J / - [(100 x 10)-3 kg. (-78,56 K)] = 230,2 J / kg K.
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