物理学中的热量定义为每当它们接触温度不同的物体或物质时传递的热能。能量转移及其所有相关过程是热力学研究的对象,热力学是物理学的一个重要分支。
热是能量采取的多种形式之一,也是最常见的形式之一。那么它是从哪里来的呢?答案在于组成物质的原子和分子。事物内部的这些粒子不是静态的。我们可以想象它们是由柔软的弹簧连接的小珠,能够轻松收缩和拉伸。
原子和分子在物质内振动,这转化为内部能量。资料来源:P. Tippens。物理:概念与应用。
这样,颗粒能够振动,并且它们的能量可以容易地转移到其他颗粒,也可以从一个物体传递到另一个物体。
人体吸收或释放的热量取决于物质的性质,质量和温度差。计算如下:
其中Q是传递的热量,m是物体的质量,C e是物质的比热,ΔT= 最终 T- 初始 T ,即温差。
像所有形式的能量一样,在国际体系(SI)中以焦耳为单位测量热量。其他合适的单位是:cgs系统中的ergs,British系统中的Btu和卡路里(通常用于食品中能量含量的术语)。
热特性
篝火产生的热量是传递能量。资料来源:
需要牢记几个关键概念:
-热量与运输中的能量有关。物体没有热量,它们仅根据情况释放或吸收热量。由于物体的内部构造,它们所具有的就是内部能量。
该内部能量又由与振动运动相关的动能和分子结构所特有的势能组成。根据该构造,物质将或多或少地容易地传递热,并且这反映在其比热C e中,该比热是在计算Q的等式中提到的值。
-第二个重要概念是热量总是从最热的物体传递到最冷的物体。经验表明,来自热咖啡的热量总是流向杯子和盘子的瓷器,或与之搅拌的勺子金属,而不是相反。
-传递或吸收的热量取决于所讨论身体的质量。向质量为X的样品中添加相同量的卡路里或焦耳,不会以质量为2X的另一种样品加热。
原因?较大样本中的粒子更多,每个粒子平均仅接收较小样本能量的一半。
热平衡和能量守恒
经验告诉我们,当我们将两个物体放在不同温度下接触时,一段时间后两者的温度将相同。然后可以说,物体或系统(也可以称为它们)处于热平衡状态。
另一方面,考虑到如何增加隔离系统的内部能量,可以得出结论,存在两种可能的机制:
i)对其进行加热,即从另一个系统传递能量。
ii)在其上进行某种机械加工。
考虑到能量守恒:
在热力学的框架中,这种守恒原理被称为热力学第一定律。我们说系统必须是隔离的,因为否则必须考虑平衡中的其他能量输入或输出。
如何测量热量?
根据产生的热量测量热量。因此,触摸感可以迅速告知饮料,食物或任何物体的冷热程度。由于传递或吸收热量会导致温度变化,因此进行测量可以大致了解传递了多少热量。
用于测量温度的仪器是温度计,该仪器配有刻度尺以进行读数。最著名的是水银温度计,它由细小的水银毛细管组成,在加热时会膨胀。
带摄氏和华氏刻度的温度计。资料来源:
然后将充满汞的毛细管插入带有刻度的玻璃管中,并使之与人体接触,必须对其温度进行测量,直到它们达到热平衡并且两者的温度相同为止。
制作温度计需要什么?
首先,您需要具有一些测温属性,即一个随温度变化的属性。
例如,气体或诸如汞之类的液体在加热时会膨胀,尽管也会起到电阻的作用,当电流通过时会产生热量。简而言之,可以使用任何易于测量的测温性质。
如果温度t与测温特性X成正比,则可以写成:
其中k是设定两个适当温度并测量X的对应值时要确定的比例常数。适当的温度意味着在实验室中容易获得。
一旦建立了对(t 1,X 1)和(t 2,X 2)对,它们之间的间隔就被分为相等的部分,它们就是度数。
温标
根据在实验室中易于获得的标准来选择构建温度标尺所需的温度。摄氏秤是世界上使用最广泛的秤之一,由瑞典科学家安德斯·摄氏(Anders Celsius,1701-1744)创建。
摄氏0度是在1个大气压下冰和液态水处于平衡状态的温度,而当液态水和水蒸气在1个大气压下处于平衡状态时,则选择上限。此间隔分为100度,每个度数称为摄氏度。
这不是建立规模的唯一方法,而且远非如此。还有其他不同的标度,例如华氏标度,其中间隔已与其他值一起选择。还有开尔文刻度,只有一个下限:绝对零。
绝对零对应于物质中颗粒的所有运动完全停止的温度,但是,尽管它已经非常接近了,但它尚不能将任何物质冷却到绝对零。
例子
每个人每天都直接或间接经历热量。例如,当您喝热饮料时,在正午的阳光下,在一个人满为患的房间中以及在其他无数种情况下,检查汽车发动机的温度。
在地球上,热量是维持生命过程所必需的,生命过程既来自太阳,又来自行星内部。
同样,气候是由大气中发生的热能变化驱动的。太阳的热量不能均匀分布到任何地方,在赤道纬度上,它的传播范围比两极更广,因此,热带地区最热的空气上升并向南和向南移动,以达到热平衡。之前已经讨论过。
这样,气流以不同的速度建立,从而输送云层和雨水。另一方面,冷热锋之间的突然碰撞会引起诸如风暴,龙卷风和飓风的现象。
相反,在更近的高度,热量可能不如海滩上的日落那么受欢迎。热量会引起汽车发动机和计算机处理器的运行问题。
它还会导致导电电缆和材料膨胀中的电能损失,这就是为什么热处理在工程的所有领域都如此重要的原因。
练习题
-练习1
糖果的标签上写着它提供275卡路里。这种糖果相当于多少焦耳能量?
解
最初,卡路里是热量的单位。食物所含的能量通常以这些单位计量,但饮食中的卡路里实际上是千卡。
等价如下:1 kcal = 4186 J,可以得出结论,糖果具有:
275卡路里x 4186焦耳/千卡= 1.15 10 6 J.
-练习2
将100克金属加热到100°C,并在20°C下与300 g水放入量热计中。系统达到平衡时获得的温度为21.44°C。假设量热仪不吸收热量,则要求您确定金属的比热。
解
在这种情况下,金属放热,我们将其称为Q 给定,并在其前面放一个符号(-)表示损耗:
就量热计而言,水吸收热量,这将表示为Q吸收:
能量守恒,由此得出:
从该语句可以计算出ΔT:
重要说明: 1ºC等于1开尔文。两种标度之间的差异在于开尔文标度是绝对的(开尔文度始终为正)。
20ºC时水的比热为4186 J / kg。K,由此可以计算吸收的热量:
总之,可以清除金属的比热:
参考文献
- Bauer,W.2011。《工程与科学物理学》。第1卷。麦格劳·希尔(McGraw Hill)。
- Cuellar,《 JA物理学II:按能力方法》。麦格劳·希尔。
- 柯克帕特里克(Kirkpatrick),L.,2007年。《物理学:世界观》。6 ta缩写。圣智学习。
- Knight,R.,2017年。《科学家与工程物理:一种策略方法》。皮尔森
- Tippens,P。2011。《物理:概念与应用》。第7版。麦格劳山