¿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:
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.
¿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.
En esta lección aprenderemos a calcular la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo o que libera al enfriarse. Para ello, resumiremos los conocimientos adquiridos en lecciones anteriores.
Además, aprenderemos, utilizando la fórmula de la cantidad de calor, a expresar las cantidades restantes de esta fórmula y calcularlas, conociendo otras cantidades. También se considerará un ejemplo de un problema con una solución para calcular la cantidad de calor.
Esta lección está dedicada a calcular la cantidad de calor cuando un cuerpo se calienta o se libera cuando se enfría.
La capacidad de calcular la cantidad de calor necesaria es muy importante. Esto puede ser necesario, por ejemplo, al calcular la cantidad de calor que se debe impartir al agua para calentar una habitación.
Arroz. 1. La cantidad de calor que se debe impartir al agua para calentar la habitación.
O para calcular la cantidad de calor que se libera cuando se quema combustible en varios motores:
Arroz. 2. La cantidad de calor que se libera cuando se quema combustible en el motor.
Este conocimiento también es necesario, por ejemplo, para determinar la cantidad de calor que libera el Sol y cae sobre la Tierra:
Arroz. 3. La cantidad de calor liberado por el Sol y cayendo sobre la Tierra.
Para calcular la cantidad de calor, necesita saber tres cosas (Fig.4):
- peso corporal (que normalmente se puede medir con una báscula);
- la diferencia de temperatura por la cual se debe calentar o enfriar un cuerpo (generalmente medida con un termómetro);
- capacidad calorífica específica del cuerpo (que se puede determinar a partir de la tabla).
Arroz. 4. Lo que necesitas saber para determinar
La fórmula mediante la cual se calcula la cantidad de calor es la siguiente:
En esta fórmula aparecen las siguientes cantidades:
La cantidad de calor medida en julios (J);
La capacidad calorífica específica de una sustancia se mide en ;
- diferencia de temperatura, medida en grados Celsius ().
Consideremos el problema de calcular la cantidad de calor.
Tarea
Un vaso de cobre con una masa de gramos contiene agua con un volumen de un litro a una temperatura determinada. ¿Cuánto calor se debe transferir a un vaso de agua para que su temperatura sea igual a ?
Arroz. 5. Ilustración de las condiciones del problema.
Primero escribimos una condición breve ( Dado) y convertir todas las cantidades al sistema internacional (SI).
|
Dado: |
SI |
|
|
Encontrar: |
Solución:
Primero, determina qué otras cantidades necesitamos para resolver este problema. Utilizando la tabla de capacidad calorífica específica (Tabla 1) encontramos (capacidad calorífica específica del cobre, ya que por condición el vidrio es cobre), (capacidad calorífica específica del agua, ya que por condición hay agua en el vaso). Además, sabemos que para calcular la cantidad de calor necesitamos una masa de agua. Según la condición, solo se nos da el volumen. Por tanto, de la tabla tomamos la densidad del agua: (Tabla 2).
Mesa 1. Capacidad calorífica específica de algunas sustancias,
Mesa 2. Densidades de algunos líquidos
Ahora tenemos todo lo que necesitamos para resolver este problema.
Tenga en cuenta que la cantidad final de calor consistirá en la suma de la cantidad de calor necesaria para calentar el vaso de cobre y la cantidad de calor necesaria para calentar el agua que contiene:
Primero calculemos la cantidad de calor necesaria para calentar un vaso de cobre:
Antes de calcular la cantidad de calor necesaria para calentar agua, calculemos la masa de agua usando una fórmula que nos resulta familiar desde el grado 7:
Ahora podemos calcular:
Entonces podemos calcular:
Recordemos qué significan los kilojulios. El prefijo "kilo" significa 
.
Respuesta:.
Para facilitar la resolución de problemas para encontrar la cantidad de calor (los llamados problemas directos) y las cantidades asociadas con este concepto, puede utilizar la siguiente tabla.
|
Cantidad requerida |
Designación |
Unidades de medida |
Fórmula básica |
Fórmula para la cantidad |
|
cantidad de calor |
La energía interna de un sistema termodinámico se puede cambiar de dos maneras:
- trabajando en el sistema,
- utilizando interacción térmica.
La transferencia de calor a un cuerpo no está asociada con la realización de trabajos macroscópicos sobre el cuerpo. En este caso, el cambio en la energía interna se debe al hecho de que las moléculas individuales de un cuerpo con una temperatura más alta trabajan sobre algunas moléculas de un cuerpo que tiene una temperatura más baja. En este caso, la interacción térmica se produce debido a la conductividad térmica. La transferencia de energía también es posible mediante radiación. El sistema de procesos microscópicos (no relacionados con todo el cuerpo, sino con moléculas individuales) se llama transferencia de calor. La cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro como resultado de la transferencia de calor está determinada por la cantidad de calor que se transfiere de un cuerpo a otro.
Definición
Calor es la energía que recibe (o cede) un cuerpo en el proceso de intercambio de calor con los cuerpos circundantes (medio ambiente).
El símbolo del calor suele ser la letra Q.
Esta es una de las cantidades básicas en termodinámica. El calor está incluido en las expresiones matemáticas de la primera y segunda leyes de la termodinámica. Se dice que el calor es energía en forma de movimiento molecular.
El calor se puede transferir al sistema (cuerpo) o se puede extraer de él. Se cree que si se transfiere calor al sistema, entonces es positivo.
Fórmula para calcular el calor cuando cambia la temperatura.
Denotamos la cantidad elemental de calor como . Tengamos en cuenta que el elemento de calor que recibe (cede) el sistema con un pequeño cambio en su estado no es un diferencial completo. La razón de esto es que el calor es función del proceso de cambio de estado del sistema.
La cantidad elemental de calor que se imparte al sistema, y la temperatura cambia de T a T+dT, es igual a:
donde C es la capacidad calorífica del cuerpo. Si el cuerpo en cuestión es homogéneo, entonces la fórmula (1) para la cantidad de calor se puede representar como:
donde es la capacidad calorífica específica del cuerpo, m es la masa del cuerpo, es la capacidad calorífica molar, es la masa molar de la sustancia, es el número de moles de la sustancia.
Si el cuerpo es homogéneo y la capacidad calorífica se considera independiente de la temperatura, entonces la cantidad de calor () que recibe el cuerpo cuando su temperatura aumenta en una cantidad se puede calcular como:
donde t 2, t 1 temperaturas corporales antes y después del calentamiento. Tenga en cuenta que al encontrar la diferencia () en los cálculos, las temperaturas se pueden sustituir tanto en grados Celsius como en Kelvin.
Fórmula para la cantidad de calor durante las transiciones de fase.
Así, para transferir un elemento de materia del estado sólido al líquido, se le debe dar una cantidad de calor () igual a:
donde está el calor específico de fusión, dm es el elemento de masa corporal. Hay que tener en cuenta que el cuerpo debe tener una temperatura igual al punto de fusión de la sustancia en cuestión. Durante la cristalización, se libera calor igual a (4).
La cantidad de calor (calor de evaporación) necesaria para convertir un líquido en vapor se puede encontrar como:
donde r es el calor específico de evaporación. Cuando el vapor se condensa, se libera calor. El calor de evaporación es igual al calor de condensación de masas iguales de sustancia.
Unidades para medir la cantidad de calor.
La unidad básica de medida para la cantidad de calor en el sistema SI es: [Q]=J
Una unidad de calor extrasistema, que se encuentra a menudo en los cálculos técnicos. [Q]=cal (calorías). 1 cal=4,1868 J.
Ejemplos de resolución de problemas
Ejemplo
Ejercicio.¿Qué volúmenes de agua se deben mezclar para obtener 200 litros de agua a una temperatura de t = 40 C, si la temperatura de una masa de agua es t 1 = 10 C, la temperatura de la segunda masa de agua es t 2 = 60 C? ?
Solución. Escribamos la ecuación del balance de calor en la forma:
donde Q=cmt es la cantidad de calor preparada después de mezclar el agua; Q 1 = cm 1 t 1 - la cantidad de calor de una parte de agua con temperatura t 1 y masa m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - la cantidad de calor de una parte de agua con temperatura t 2 y masa m 2.
De la ecuación (1.1) se deduce:
Al combinar partes de agua fría (V 1) y caliente (V 2) en un solo volumen (V), podemos suponer que:
Entonces obtenemos un sistema de ecuaciones:
Resolviendolo obtenemos:
Como ya sabemos, la energía interna de un cuerpo puede cambiar tanto al realizar trabajo como mediante transferencia de calor (sin realizar trabajo).
La principal diferencia entre trabajo y cantidad de calor es que el trabajo determina el proceso de conversión de la energía interna del sistema, que va acompañado de la transformación de energía de un tipo a otro. En el caso de que se produzca un cambio en la energía interna con la ayuda de transferencia de calor , la transferencia de energía de un cuerpo a otro se lleva a cabo debido a conductividad térmica , radiación o.
convección La energía que un cuerpo pierde o gana durante la transferencia de calor se llama
cantidad de calor.
Calentaremos dos recipientes mediante dos quemadores idénticos. Un recipiente contiene 1 kg de agua y el otro contiene 2 kg. La temperatura del agua en los dos recipientes es inicialmente la misma. Podemos ver que al mismo tiempo, el agua de uno de los recipientes se calienta más rápido, aunque ambos recipientes reciben la misma cantidad de calor.
Así, concluimos: cuanto mayor es la masa de un cuerpo determinado, mayor es la cantidad de calor que se debe gastar para bajar o aumentar su temperatura en el mismo número de grados.
Cuando un cuerpo se enfría, desprende mayor cantidad de calor a los objetos vecinos cuanto mayor es su masa.
Todos sabemos que si necesitamos calentar una tetera llena de agua a una temperatura de 50°C, dedicaremos menos tiempo a esta acción que calentar una tetera con el mismo volumen de agua, pero solo a 100°C. En el caso número uno, se le dará menos calor al agua que en el caso dos.
Por tanto, la cantidad de calor necesaria para calentar depende directamente de si cuantos grados el cuerpo puede calentarse. Podemos concluir: la cantidad de calor depende directamente de la diferencia de temperatura corporal.
Pero, ¿es posible determinar la cantidad de calor necesaria para calentar no el agua, sino alguna otra sustancia, por ejemplo aceite, plomo o hierro?
Llene un recipiente con agua y el otro con aceite vegetal. Las masas de agua y aceite son iguales. Calentaremos ambos recipientes de manera uniforme en quemadores idénticos. Comencemos el experimento con temperaturas iniciales iguales de aceite vegetal y agua. Cinco minutos después, habiendo medido las temperaturas del aceite y del agua calentados, notaremos que la temperatura del aceite es mucho mayor que la temperatura del agua, aunque ambos líquidos recibieron la misma cantidad de calor.
La conclusión obvia es: Cuando se calientan masas iguales de aceite y agua a la misma temperatura, se requieren diferentes cantidades de calor.
E inmediatamente sacamos otra conclusión: la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo depende directamente de la sustancia que lo compone (el tipo de sustancia).
Por tanto, la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo (o liberada al enfriarse) depende directamente de la masa del cuerpo, la variabilidad de su temperatura y el tipo de sustancia.
La cantidad de calor se indica con el símbolo Q. Como otros tipos diferentes de energía, la cantidad de calor se mide en julios (J) o kilojulios (kJ).
1kJ = 1000J
Sin embargo, la historia muestra que los científicos comenzaron a medir la cantidad de calor mucho antes de que apareciera el concepto de energía en la física. En ese momento, se desarrolló una unidad especial para medir la cantidad de calor: calorías (cal) o kilocalorías (kcal). La palabra tiene raíces latinas, calor - calor.
1 kcal = 1000 kcal
Caloría– esta es la cantidad de calor necesaria para calentar 1 g de agua en 1°C
1 cal = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
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