El concepto de cantidad de calor se formó en las primeras etapas del desarrollo de la física moderna, cuando no había ideas claras sobre la estructura interna de la materia, qué es la energía, qué formas de energía existen en la naturaleza y sobre la energía como forma. del movimiento y transformación de la materia.
Se entiende por cantidad de calor una cantidad física equivalente a la energía transferida a un cuerpo material en el proceso de intercambio de calor.
La unidad de calor obsoleta es la caloría, equivalente a 4,2 J; hoy en día esta unidad prácticamente no se utiliza y el julio ha ocupado su lugar.
Inicialmente, se asumió que el portador de energía térmica era algún medio completamente ingrávido con propiedades de líquido. Numerosos problemas físicos de transferencia de calor se han resuelto y se siguen resolviendo basándose en esta premisa. La existencia de un calórico hipotético fue la base de muchas construcciones esencialmente correctas. Se creía que el calor se libera y se absorbe durante los fenómenos de calentamiento y enfriamiento, fusión y cristalización. Las ecuaciones correctas para los procesos de transferencia de calor se obtuvieron basándose en conceptos físicos incorrectos. Existe una ley conocida según la cual la cantidad de calor es directamente proporcional a la masa del cuerpo que participa en el intercambio de calor y al gradiente de temperatura:
Donde Q es la cantidad de calor, m es la masa corporal y el coeficiente Con– una cantidad llamada capacidad calorífica específica. La capacidad calorífica específica es una característica de una sustancia involucrada en un proceso.
Trabajar en termodinámica.
Mediante procesos térmicos se pueden realizar trabajos puramente mecánicos. Por ejemplo, cuando un gas se calienta, aumenta su volumen. Tomemos una situación como la de la siguiente imagen:
En este caso, el trabajo mecánico será igual a la fuerza de la presión del gas sobre el pistón multiplicada por el recorrido recorrido por el pistón bajo presión. Por supuesto, este es el caso más sencillo. Pero incluso en él se puede notar una dificultad: la fuerza de presión dependerá del volumen del gas, lo que significa que no estamos ante cantidades constantes, sino variables. Dado que las tres variables: presión, temperatura y volumen están relacionadas entre sí, calcular el trabajo se vuelve mucho más complicado. Existen algunos procesos ideales, infinitamente lentos: isobáricos, isotérmicos, adiabáticos e isocóricos, para los cuales tales cálculos pueden realizarse de manera relativamente simple. Se traza una gráfica de presión versus volumen y el trabajo se calcula como una integral de la forma.
La energía interna de un cuerpo puede cambiar debido al trabajo de fuerzas externas. Para caracterizar el cambio de energía interna durante la transferencia de calor, se introduce una cantidad llamada cantidad de calor y denotada como Q.
En el sistema internacional, la unidad de calor, así como de trabajo y energía, es el julio: = = = 1 J.
En la práctica, a veces se utiliza una unidad no sistémica de cantidad de calor: la caloría. 1 cal. = 4,2 J.
Cabe señalar que el término "cantidad de calor" es desafortunado. Se introdujo en un momento en el que se creía que los cuerpos contenían algún líquido ingrávido y esquivo: el contenido calórico. El proceso de intercambio de calor supuestamente consiste en el hecho de que el calor que fluye de un cuerpo a otro lleva consigo una cierta cantidad de calor. Ahora, conociendo los conceptos básicos de la teoría cinética molecular de la estructura de la materia, entendemos que no hay calorías en los cuerpos, el mecanismo para cambiar la energía interna de un cuerpo es diferente. Sin embargo, el poder de la tradición es grande y seguimos utilizando un término introducido sobre la base de ideas incorrectas sobre la naturaleza del calor. Al mismo tiempo, al comprender la naturaleza de la transferencia de calor, no se deben ignorar por completo los conceptos erróneos al respecto. Por el contrario, al establecer una analogía entre el flujo de calor y el flujo de un hipotético líquido calórico, la cantidad de calor y la cantidad de calórico, al resolver ciertas clases de problemas, es posible visualizar los procesos en curso y correctamente resolver los problemas. Al final, las ecuaciones correctas que describen los procesos de transferencia de calor alguna vez se obtuvieron sobre la base de ideas incorrectas sobre el calórico como portador de calor.
Consideremos con más detalle los procesos que pueden ocurrir como resultado del intercambio de calor.
Vierte un poco de agua en el tubo de ensayo y ciérralo con un tapón. Colgamos el tubo de ensayo de una varilla fijada en un soporte y colocamos una llama abierta debajo. El tubo de ensayo recibe una cierta cantidad de calor de la llama y la temperatura del líquido que contiene aumenta. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía interna del líquido. Se produce un intenso proceso de vaporización. Los vapores líquidos en expansión realizan un trabajo mecánico para empujar el tapón fuera del tubo de ensayo.
Realicemos otro experimento con un modelo de cañón hecho de un trozo de tubo de latón, que está montado en un carro. Por un lado el tubo se cierra herméticamente con un tapón de ebonita a través del cual se pasa un alfiler. Los cables se sueldan al pasador y al tubo y terminan en terminales a los que se puede suministrar voltaje de la red de iluminación. El modelo de cañón es, pues, un tipo de caldera eléctrica.
 |
Vierte un poco de agua en el cañón del cañón y cierra el tubo con un tapón de goma. Conectemos el arma a una fuente de energía. La corriente eléctrica que pasa por el agua la calienta. El agua hierve, lo que provoca una intensa formación de vapor. La presión del vapor de agua aumenta y, finalmente, hacen el trabajo de sacar el tapón del cañón del arma.
El arma, debido al retroceso, se aleja en dirección opuesta a la expulsión del tapón.
Ambas experiencias están unidas por las siguientes circunstancias. En el proceso de calentar el líquido de diversas formas, aumentó la temperatura del líquido y, en consecuencia, su energía interna. Para que el líquido hirviera y se evaporara intensamente, era necesario seguir calentándolo.
Los vapores líquidos, debido a su energía interna, realizaban trabajo mecánico.
 |
Investigamos la dependencia de la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo de su masa, los cambios de temperatura y el tipo de sustancia. Para estudiar estas dependencias utilizaremos agua y petróleo. (Para medir la temperatura en el experimento, se utiliza un termómetro eléctrico hecho de un termopar conectado a un galvanómetro de espejo. Una unión de termopar se introduce en un recipiente con agua fría para asegurar su temperatura constante. La otra unión de termopar mide la temperatura del líquido. en estudio).
La experiencia consta de tres series. En la primera serie, para una masa constante de un líquido específico (en nuestro caso, agua), se estudia la dependencia de la cantidad de calor necesaria para calentarlo de los cambios de temperatura. Juzgaremos la cantidad de calor que recibe el líquido del calentador (estufa eléctrica) por el tiempo de calentamiento, asumiendo que existe una relación directamente proporcional entre ellos. Para que el resultado del experimento corresponda a esta suposición, es necesario garantizar un flujo de calor estacionario desde la estufa eléctrica al cuerpo calentado. Para hacer esto, la estufa eléctrica se encendió de antemano, de modo que al comienzo del experimento la temperatura de su superficie dejara de cambiar. Para calentar el líquido de forma más uniforme durante el experimento, lo removeremos utilizando el propio termopar. Registraremos las lecturas del termómetro a intervalos regulares hasta que el punto de luz llegue al borde de la escala.
Concluyamos: existe una relación proporcional directa entre la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo y el cambio en su temperatura.
En la segunda serie de experimentos compararemos las cantidades de calor necesarias para calentar líquidos idénticos de diferentes masas cuando su temperatura cambia en la misma cantidad.
Para facilitar la comparación de los valores obtenidos, se considerará que la masa de agua para el segundo experimento es dos veces menor que en el primer experimento.
Volveremos a registrar las lecturas del termómetro a intervalos regulares.
Comparando los resultados del primer y segundo experimento, se pueden sacar las siguientes conclusiones.
En la tercera serie de experimentos compararemos las cantidades de calor necesarias para calentar masas iguales de diferentes líquidos cuando su temperatura cambia en la misma cantidad.
Calentaremos aceite en una estufa eléctrica, cuya masa es igual a la masa de agua en el primer experimento. Registraremos las lecturas del termómetro a intervalos regulares.
El resultado del experimento confirma la conclusión de que la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo es directamente proporcional al cambio de su temperatura y, además, indica la dependencia de esta cantidad de calor del tipo de sustancia.
Dado que en el experimento se utilizó aceite, cuya densidad es menor que la densidad del agua, y calentar el aceite a una determinada temperatura requirió menos calor que calentar agua, se puede suponer que la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo depende de su densidad.
Para probar esta suposición, calentaremos simultáneamente masas iguales de agua, parafina y cobre en un calentador de potencia constante.
Después del mismo tiempo, la temperatura del cobre es aproximadamente 10 veces mayor y la parafina aproximadamente 2 veces mayor que la temperatura del agua.
Pero el cobre tiene una densidad mayor y la parafina tiene una densidad menor que el agua.
La experiencia demuestra que la cantidad que caracteriza la tasa de cambio de temperatura de las sustancias de las que están hechos los cuerpos implicados en el intercambio de calor no es la densidad. Esta cantidad se llama capacidad calorífica específica de una sustancia y se denota con la letra c.
 |
Se utiliza un dispositivo especial para comparar las capacidades caloríficas específicas de diferentes sustancias. El dispositivo consta de rejillas en las que se fijan una fina placa de parafina y una tira atravesada por varillas. En los extremos de las varillas se fijan cilindros de aluminio, acero y latón de igual masa.
Calentamos los cilindros a la misma temperatura sumergiéndolos en un recipiente con agua sobre una estufa caliente. Aseguramos los cilindros calientes a las rejillas y los liberamos de la sujeción. Los cilindros tocan simultáneamente la placa de parafina y, al derretir la parafina, comienzan a hundirse en ella. La profundidad de inmersión de cilindros de la misma masa en una placa de parafina, cuando su temperatura cambia en la misma cantidad, resulta diferente.
La experiencia demuestra que las capacidades caloríficas específicas del aluminio, el acero y el latón son diferentes.
Habiendo realizado experimentos apropiados con fusión de sólidos, vaporización de líquidos y combustión de combustible, obtenemos las siguientes dependencias cuantitativas.
Para obtener unidades de cantidades específicas, se deben expresar a partir de las fórmulas correspondientes y en las expresiones resultantes sustituir unidades de calor - 1 J, masa - 1 kg y, para capacidad calorífica específica, 1 K.
Obtenemos las siguientes unidades: capacidad calorífica específica – 1 J/kg·K, otros calores específicos: 1 J/kg.
(o transferencia de calor).
Capacidad calorífica específica de una sustancia.
Capacidad calorífica- esta es la cantidad de calor absorbida por un cuerpo cuando se calienta 1 grado.
La capacidad calorífica de un cuerpo se indica con una letra latina mayúscula. CON.
¿De qué depende la capacidad calorífica de un cuerpo? En primer lugar, por su masa. Está claro que calentar, por ejemplo, 1 kilogramo de agua requerirá más calor que calentar 200 gramos.
¿Qué pasa con el tipo de sustancia? Hagamos un experimento. Cogemos dos recipientes idénticos y, habiendo echado en uno de ellos agua que pesa 400 g y en el otro aceite vegetal de 400 g, empezaremos a calentarlos con quemadores idénticos. Observando las lecturas del termómetro veremos que el aceite se calienta rápidamente. Para calentar agua y aceite a la misma temperatura, el agua debe calentarse por más tiempo. Pero cuanto más calentamos el agua, más calor recibe del quemador.
Por tanto, calentar la misma masa de diferentes sustancias a la misma temperatura requiere diferentes cantidades de calor. La cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo y, por tanto, su capacidad calorífica dependen del tipo de sustancia que lo compone.
Así, por ejemplo, para aumentar en 1°C la temperatura del agua que pesa 1 kg, se necesita una cantidad de calor igual a 4200 J, y para calentar la misma masa de aceite de girasol en 1°C, una cantidad de calor igual a Se requieren 1700 J.
Una cantidad física que muestra cuánto calor se requiere para calentar 1 kg de una sustancia en 1 ºС se llama capacidad calorífica específica de esta sustancia.
Cada sustancia tiene su propia capacidad calorífica específica, que se indica con la letra latina c y se mide en julios por kilogramo de grado (J/(kg °C)).
La capacidad calorífica específica de una misma sustancia en diferentes estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso) es diferente. Por ejemplo, la capacidad calorífica específica del agua es 4200 J/(kg °C) y la capacidad calorífica específica del hielo es 2100 J/(kg °C); El aluminio en estado sólido tiene una capacidad calorífica específica de 920 J/(kg - °C), y en estado líquido, de 1080 J/(kg - °C).
Tenga en cuenta que el agua tiene una capacidad calorífica específica muy alta. Por tanto, el agua de los mares y océanos, al calentarse en verano, absorbe una gran cantidad de calor del aire. Gracias a esto, en aquellos lugares que se ubican cerca de grandes masas de agua, el verano no es tan caluroso como en lugares alejados del agua.
Cálculo de la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo o que éste libera durante el enfriamiento.
De lo anterior queda claro que la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo depende del tipo de sustancia que lo compone (es decir, su capacidad calorífica específica) y de la masa del cuerpo. También está claro que la cantidad de calor depende de cuántos grados vamos a aumentar la temperatura corporal.
Entonces, para determinar la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo o que se libera durante el enfriamiento, es necesario multiplicar la capacidad calorífica específica del cuerpo por su masa y por la diferencia entre sus temperaturas final e inicial:
q = centímetro (t 2 - t 1 ) ,
Dónde q- cantidad de calor, do— capacidad calorífica específica, metro- peso corporal, t 1 — temperatura inicial, t 2 — temperatura final.
Cuando el cuerpo se calienta t 2 > t 1 y por lo tanto q > 0 . Cuando el cuerpo se enfría t2i< t 1 y por lo tanto q< 0 .
Si se conoce la capacidad calorífica de todo el cuerpo CON, q determinado por la fórmula:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
El cambio de energía interna al realizar trabajo se caracteriza por la cantidad de trabajo, es decir El trabajo es una medida del cambio de energía interna en un proceso dado. El cambio en la energía interna de un cuerpo durante la transferencia de calor se caracteriza por una cantidad llamada cantidad de calor.
Es un cambio en la energía interna de un cuerpo durante el proceso de transferencia de calor sin realizar trabajo. La cantidad de calor se indica con la letra. q .
El trabajo, la energía interna y el calor se miden en las mismas unidades: julios ( j), como cualquier tipo de energía.
En las mediciones térmicas, anteriormente se utilizaba una unidad especial de energía como unidad de cantidad de calor: la caloría ( heces), igual a la cantidad de calor necesaria para calentar 1 gramo de agua en 1 grado Celsius (más precisamente, de 19,5 a 20,5 ° C). Esta unidad, en particular, se utiliza actualmente para calcular el consumo de calor (energía térmica) en edificios de apartamentos. Se ha establecido experimentalmente el equivalente mecánico del calor: la relación entre calorías y julios: 1 cal = 4,2 J.
Cuando un cuerpo transfiere una determinada cantidad de calor sin realizar trabajo, su energía interna aumenta; si el cuerpo desprende una determinada cantidad de calor, entonces su energía interna disminuye.
Si viertes 100 g de agua en dos recipientes idénticos, uno y 400 g en el otro a la misma temperatura y los colocas en quemadores idénticos, el agua del primer recipiente hervirá antes. Así, cuanto mayor es la masa corporal, mayor es la cantidad de calor que necesita para calentarse. Lo mismo ocurre con el enfriamiento.
La cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo también depende del tipo de sustancia de la que está formado. Esta dependencia de la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo del tipo de sustancia se caracteriza por una cantidad física llamada capacidad calorífica específica sustancias.
es una cantidad física igual a la cantidad de calor que se debe impartir a 1 kg de una sustancia para calentarla 1 °C (o 1 K). 1 kg de sustancia libera la misma cantidad de calor cuando se enfría 1 °C.
La capacidad calorífica específica se designa con la letra. Con. La unidad de capacidad calorífica específica es 1 J/kg °C o 1 J/kg °K.
La capacidad calorífica específica de las sustancias se determina experimentalmente. Los líquidos tienen una capacidad calorífica específica mayor que los metales; El agua tiene el calor específico más alto, el oro tiene un calor específico muy pequeño.
Dado que la cantidad de calor es igual al cambio en la energía interna del cuerpo, podemos decir que la capacidad calorífica específica muestra cuánto cambia la energía interna. 1 kilogramo sustancia cuando su temperatura cambia en 1ºC. En particular, la energía interna de 1 kg de plomo aumenta en 140 J cuando se calienta 1 °C y disminuye en 140 J cuando se enfría.
q necesario para calentar un cuerpo de masa metro en temperatura t 1°С hasta la temperatura t 2 °С, es igual al producto de la capacidad calorífica específica de la sustancia, la masa corporal y la diferencia entre las temperaturas final e inicial, es decirQ = c ∙ metro (t 2 - t 1)
La misma fórmula se utiliza para calcular la cantidad de calor que desprende un cuerpo al enfriarse. Sólo en este caso se debe restar la temperatura final a la temperatura inicial, es decir Resta la temperatura menor de la temperatura mayor.
Este es un resumen del tema. “Cantidad de calor. Calor específico". Seleccione los siguientes pasos:
- Ir al siguiente resumen:
¿Qué se calentará más rápido en la estufa: una tetera o un balde de agua? La respuesta es obvia: una tetera. Entonces la segunda pregunta es ¿por qué?
La respuesta no es menos obvia: porque la masa de agua en la tetera es menor. Excelente. Y ahora puedes vivir una experiencia física real tú mismo en casa. Para hacer esto, necesitarás dos cacerolas pequeñas idénticas, la misma cantidad de agua y aceite vegetal, por ejemplo, medio litro cada una y una estufa. Colocar cacerolas con aceite y agua al mismo fuego. Ahora solo observa qué se calentará más rápido. Si tienes un termómetro para líquidos, puedes usarlo, si no, simplemente puedes probar la temperatura con el dedo de vez en cuando, solo ten cuidado de no quemarte. En cualquier caso, pronto verás que el aceite se calienta mucho más rápido que el agua. Y una pregunta más, que también se puede plasmar en forma de experiencia. ¿Qué hervirá más rápido: agua tibia o fría? Todo vuelve a ser obvio: el cálido será el primero en llegar a la meta. ¿Por qué todas estas extrañas preguntas y experimentos? Determinar la cantidad física llamada “cantidad de calor”.
cantidad de calor
La cantidad de calor es la energía que un cuerpo pierde o gana durante la transferencia de calor. Esto se desprende claramente del nombre. Al enfriarse, el cuerpo perderá una cierta cantidad de calor y, al calentarse, lo absorberá. Y las respuestas a nuestras preguntas nos mostraron ¿De qué depende la cantidad de calor? En primer lugar, cuanto mayor es la masa de un cuerpo, mayor es la cantidad de calor que se debe gastar para cambiar su temperatura en un grado. En segundo lugar, la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo depende de la sustancia que lo compone, es decir, del tipo de sustancia. Y en tercer lugar, la diferencia de temperatura corporal antes y después de la transferencia de calor también es importante para nuestros cálculos. Con base en lo anterior, podemos determine la cantidad de calor usando la fórmula:
Q=cm(t_2-t_1),
donde Q es la cantidad de calor,
metro - peso corporal,
(t_2-t_1) - la diferencia entre la temperatura corporal inicial y final,
c es la capacidad calorífica específica de la sustancia, que se obtiene de las tablas correspondientes.
Usando esta fórmula, puedes calcular la cantidad de calor que es necesaria para calentar cualquier cuerpo o que este cuerpo liberará al enfriarse.
La cantidad de calor se mide en julios (1 J), como cualquier tipo de energía. Sin embargo, este valor se introdujo no hace mucho tiempo y la gente empezó a medir la cantidad de calor mucho antes. Y utilizaron una unidad que se usa ampliamente en nuestro tiempo: la caloría (1 cal). 1 caloría es la cantidad de calor necesaria para calentar 1 gramo de agua en 1 grado Celsius. Guiados por estos datos, quienes gustan de contar las calorías de los alimentos que ingieren pueden, sólo por diversión, calcular cuántos litros de agua se pueden hervir con la energía que consumen con los alimentos durante el día.