การดูดซับความร้อน: สูตรวิธีคำนวณและแก้ไขแบบฝึกหัด - กายภาพ - 2026

ความร้อนดูดซึมได้ถูกกำหนดให้เป็นถ่ายเทพลังงานระหว่างสองหน่วยงานที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะดูดซับความร้อนของอุณหภูมิที่สูงกว่า เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นพลังงานความร้อนของสารที่ดูดซับความร้อนจะเพิ่มขึ้นและอนุภาคที่รวมตัวกันจะสั่นสะเทือนเร็วขึ้นทำให้พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น

ซึ่งอาจนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิหรือการเปลี่ยนแปลงสถานะ ตัวอย่างเช่นเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลวเช่นน้ำแข็งเมื่อละลายเมื่อสัมผัสกับน้ำหรือโซดาที่อุณหภูมิห้อง

ช้อนโลหะดูดซับความร้อนจากกาแฟร้อน ที่มา: Pixabay

ต้องขอบคุณความร้อนทำให้วัตถุเปลี่ยนขนาดได้เช่นกัน การขยายตัวทางความร้อนเป็นตัวอย่างที่ดีของปรากฏการณ์นี้ เมื่อสารส่วนใหญ่ได้รับความร้อนมักจะมีขนาดเพิ่มขึ้น

ข้อยกเว้นคือน้ำ น้ำที่เป็นของเหลวในปริมาณเท่ากันจะเพิ่มปริมาตรเมื่อเย็นลงต่ำกว่า4ºC นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิยังอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นซึ่งเป็นสิ่งที่สังเกตได้ในกรณีของน้ำ

มันประกอบด้วยอะไรและสูตร

ในกรณีของพลังงานระหว่างการขนส่งหน่วยของความร้อนที่ดูดซับคือจูล อย่างไรก็ตามความร้อนเป็นเวลานานมีหน่วยของตัวเอง: แคลอรี่

แม้ในปัจจุบันหน่วยนี้ยังใช้เพื่อหาปริมาณพลังงานของอาหารแม้ว่าในความเป็นจริงแล้วแคลอรี่ในอาหารหนึ่งแคลอรี่จะสอดคล้องกับความร้อนหนึ่งกิโลแคลอรีก็ตาม

แคลอรี่

แคลอรี่เรียกโดยย่อว่าปูนขาวคือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 กรัมขึ้น1ºC

ในศตวรรษที่ 19 เซอร์เจมส์เพรสคอตต์จูล (1818 - 1889) ได้ทำการทดลองที่มีชื่อเสียงซึ่งเขาสามารถเปลี่ยนงานเครื่องจักรกลให้เป็นความร้อนได้โดยได้รับความเท่าเทียมกันดังต่อไปนี้:

ในหน่วยของอังกฤษหน่วยความร้อนเรียกว่า Btu (หน่วยความร้อนของอังกฤษ) ซึ่งหมายถึงปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำหนึ่งปอนด์ขึ้น1ºF

ความเท่าเทียมกันระหว่างหน่วยมีดังนี้:

ปัญหาของหน่วยเก่าเหล่านี้คือปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ นั่นคือค่าที่ต้องเปลี่ยนจาก70ºCถึง75ºCนั้นไม่เหมือนกับที่ต้องใช้ในการทำให้น้ำร้อนตั้งแต่9ºCถึง10ºCเป็นต้น

นั่นคือเหตุผลที่คำจำกัดความพิจารณาช่วงที่กำหนดไว้อย่างดี: ตั้งแต่ 14.5 ถึง 15.5 ° C และ 63 ถึง 64 ° F สำหรับแคลอรี่และ Btu ตามลำดับ

ปริมาณความร้อนที่ดูดซับขึ้นอยู่กับอะไร?

ปริมาณความร้อนดูดซับที่วัสดุหยิบขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ:

- มวล. มวลที่มากขึ้นก็จะสามารถดูดซับความร้อนได้มากขึ้น

- ลักษณะของสาร. มีสารที่มีความสามารถในการดูดซับความร้อนมากกว่าสารอื่น ๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลหรืออะตอม

- อุณหภูมิ. ต้องเพิ่มความร้อนมากขึ้นเพื่อให้ได้อุณหภูมิที่สูงขึ้น

ปริมาณความร้อนซึ่งแสดงถึง Q เป็นสัดส่วนกับปัจจัยที่อธิบายไว้ ดังนั้นจึงสามารถเขียนเป็น:

โดยที่ m มวลของวัตถุ c คือค่าคงที่ที่เรียกว่าความร้อนจำเพาะซึ่งเป็นสมบัติที่แท้จริงของสารและΔ T คือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ทำได้โดยการดูดซับความร้อน

ความแตกต่างนี้มีสัญญาณบวกเนื่องจากเมื่อดูดซับความร้อนจึงคาดว่า T _f > T _o สิ่งนี้เกิดขึ้นเว้นแต่ว่าสารอยู่ระหว่างการเปลี่ยนเฟสเช่นน้ำเปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอ เมื่อน้ำเดือดอุณหภูมิจะคงที่ที่ประมาณ100ºCไม่ว่าจะเดือดเร็วแค่ไหนก็ตาม

วิธีการคำนวณ?

โดยการวางวัตถุสองชิ้นที่อุณหภูมิต่างกันติดต่อกันหลังจากนั้นไม่นานทั้งคู่ก็ถึงสมดุลทางความร้อน จากนั้นอุณหภูมิจะเท่ากันและการถ่ายเทความร้อนจะสิ้นสุดลง สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหากมีวัตถุมากกว่าสองชิ้นเข้ามาสัมผัส หลังจากผ่านไประยะหนึ่งพวกเขาทั้งหมดจะอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน

สมมติว่าวัตถุที่สัมผัสในรูปแบบระบบปิดซึ่งความร้อนไม่สามารถหลบหนีได้จะใช้หลักการอนุรักษ์พลังงานดังนั้นจึงสามารถระบุได้ว่า:

Q _{ดูดซับ} = - _ให้ Q

นี่แสดงถึงความสมดุลของพลังงานคล้ายกับรายได้และค่าใช้จ่ายของบุคคล ด้วยเหตุนี้ความร้อนที่ถ่ายโอนจึงมีเครื่องหมายลบเนื่องจากสำหรับวัตถุที่ให้ผลผลิตอุณหภูมิสุดท้ายจะต่ำกว่าค่าเริ่มต้น ดังนั้น:

สมการ Q ที่_{ดูดซับ} = - _ผล Q ถูกใช้เมื่อใดก็ตามที่วัตถุสองชิ้นสัมผัสกัน

สมดุลของพลังงาน

เพื่อให้เกิดความสมดุลของพลังงานจำเป็นต้องแยกแยะวัตถุที่ดูดซับความร้อนออกจากสิ่งที่ให้ผลผลิตจากนั้น:

Σ Q _k = 0

นั่นคือผลรวมของการได้รับและการสูญเสียพลังงานในระบบปิดจะต้องเท่ากับ 0

ความร้อนจำเพาะของสาร

ในการคำนวณปริมาณความร้อนที่ดูดซับจำเป็นต้องทราบความร้อนจำเพาะของสารที่เข้าร่วมแต่ละชนิด นี่คือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของวัสดุ 1 กรัมขึ้นไป1ºC หน่วยในระบบสากลคือจูล / กก. เค

มีตารางที่มีความร้อนจำเพาะของสารหลายชนิดโดยทั่วไปคำนวณโดยใช้เครื่องวัดความร้อนหรือเครื่องมือที่คล้ายกัน

ตัวอย่างวิธีคำนวณความร้อนจำเพาะของวัสดุ

ต้องใช้แคลอรี่ 250 แคลอรี่เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของวงแหวนโลหะจาก 20 เป็น 30 ºC ถ้าแหวนมีมวล 90 ก. ความร้อนจำเพาะของโลหะในหน่วย SI คืออะไร?

สารละลาย

หน่วยจะถูกแปลงก่อน:

Q = 250 แคลอรี่ = 1,046.5 J

ม = 90 ก. = 90 x ^10-3กก

การออกกำลังกายได้รับการแก้ไข

ถ้วยอลูมิเนียมบรรจุน้ำ 225 กรัมและเครื่องกวนทองแดง 40 กรัมที่อุณหภูมิ 27 ° C ตัวอย่างเงิน 400 กรัมที่อุณหภูมิเริ่มต้น 87 ° C ถูกวางลงในน้ำ

เครื่องกวนใช้ในการกวนส่วนผสมจนกว่าจะถึงอุณหภูมิสมดุลสุดท้ายที่ 32 ° C คำนวณมวลของถ้วยอลูมิเนียมโดยพิจารณาว่าไม่มีการสูญเสียความร้อนต่อสิ่งแวดล้อม

แผนผังของเครื่องวัดความร้อน ที่มา: Solidswiki

เข้าใกล้

ตามที่ระบุไว้ข้างต้นสิ่งสำคัญคือต้องแยกแยะระหว่างวัตถุที่ให้ความร้อนจากวัตถุที่ดูดซับ:

- ถ้วยอลูมิเนียมที่กวนทองแดงและน้ำดูดซับความร้อน

- ตัวอย่างเงินให้ความร้อน

ข้อมูล

มีการให้ความร้อนเฉพาะของสารแต่ละชนิด:

ความร้อนที่ดูดซับหรือถ่ายเทโดยแต่ละสารคำนวณโดยใช้สมการ:

สารละลาย

เงิน

Q _ผล = 400 x 10 -3 234 x (32 - 87) J = -5148 J

เครื่องกวนทองแดง

Q _{ดูดซึม} = 40 x 10 -3 387 x (32 - 27) J = 77.4 J

น้ำ

Q _{ดูดซับ} = 225 x 10 ^-3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709.25 J

แก้วมัคอลูมิเนียม

Q _{ดูดซึม} = m อลูมิเนียม 900 x (32 - 27) J = 4500 .m _{อลูมิเนียม}

การใช้:

Σ Q _k = 0

77.4 + 4709.25 + 4500 .m _{อลูมิเนียม} = - (-5148)

ในที่สุดมวลของอลูมิเนียมก็ถูกล้าง:

ม. _{อะลูมิเนียม} = 0.0803 กก. = 80.3 ก

อ้างอิง

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 TH เอ็ดศิษย์ฮอลล์. 400 - 410
2. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. 6 ^{ta การ}แก้ไขแบบย่อ การเรียนรู้ Cengage 156-164
3. Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน 309-332
4. เซียร์เซมันสกี้ 2559. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่. 14 ^ธ . VOLUME1 556-553
5. Serway, R. , Vulle, C. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. 9 ^naเรียนรู้คลิกที่นี่ 362 - 374