การถ่ายเทความร้อน: สูตรวิธีคำนวณและแก้ไขแบบฝึกหัด - กายภาพ - 2025

ถ่ายเทความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานระหว่างสองหน่วยงานที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน อุณหภูมิที่สูงกว่าจะให้ความร้อนกับอุณหภูมิที่ต่ำกว่า ไม่ว่าร่างกายจะยอมแพ้หรือดูดซับความร้อนอุณหภูมิหรือสภาวะทางกายภาพอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับมวลและลักษณะของวัสดุที่ใช้ทำ

ตัวอย่างที่ดีคือในถ้วยกาแฟนึ่ง ช้อนโลหะที่กวนน้ำตาลให้ร้อนขึ้น หากทิ้งไว้ในถ้วยนานพอกาแฟและช้อนโลหะจะทำให้อุณหภูมิเท่ากันกาแฟจะเย็นลงและช้อนจะให้ความร้อน ความร้อนบางส่วนจะผ่านเข้าสู่สิ่งแวดล้อมเนื่องจากระบบไม่ได้หุ้มฉนวน

กาแฟและช้อนจะอยู่ในสภาวะสมดุลอุณหภูมิหลังจากนั้นสักครู่ ที่มา: Pixabay

เมื่ออุณหภูมิเท่ากันจะถึงจุดสมดุลทางความร้อน

หากคุณทำการทดสอบแบบเดียวกันกับช้อนชาพลาสติกคุณจะสังเกตได้อย่างแน่นอนว่ามันไม่ร้อนเร็วเท่าโลหะ แต่ในที่สุดมันก็จะสมดุลกับกาแฟและทุกสิ่งรอบตัว

เนื่องจากโลหะนำความร้อนได้ดีกว่าพลาสติก ในทางกลับกันกาแฟจะให้ความร้อนในอัตราที่แตกต่างจากช็อกโกแลตร้อนหรือเครื่องดื่มอื่น ๆ ดังนั้นความร้อนที่ให้หรือดูดซับโดยแต่ละวัตถุขึ้นอยู่กับว่ามันทำมาจากวัสดุหรือสสารอะไร

มันประกอบด้วยอะไรและสูตร

ความร้อนหมายถึงการไหลหรือการถ่ายเทพลังงานระหว่างวัตถุหนึ่งกับอีกวัตถุหนึ่งเสมอเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ

นั่นคือเหตุผลที่เราพูดถึงการถ่ายเทความร้อนหรือการดูดซับความร้อนเนื่องจากการเพิ่มหรือดึงความร้อนหรือพลังงานไม่ทางใดก็ทางหนึ่งจึงเป็นไปได้ที่จะปรับเปลี่ยนอุณหภูมิขององค์ประกอบ

ปริมาณความร้อนที่วัตถุที่ร้อนที่สุดให้ออกมักเรียกว่า Q ค่านี้เป็นสัดส่วนกับมวลของวัตถุนั้น ร่างกายที่มีมวลมากสามารถระบายความร้อนได้มากกว่าร่างกายที่มีมวลน้อยกว่า

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งในการคำนวณการถ่ายเทความร้อนคือความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดจากวัตถุที่ถ่ายเทความร้อน แสดงเป็นΔ T และคำนวณได้ดังนี้:

ในที่สุดปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทยังขึ้นอยู่กับลักษณะและลักษณะของวัตถุซึ่งสรุปเชิงปริมาณในค่าคงที่เรียกว่าความร้อนจำเพาะของวัสดุแสดงเป็น c

ดังนั้นในที่สุดนิพจน์สำหรับความร้อนที่ถ่ายเทมีดังต่อไปนี้:

การยอมแพ้มีสัญลักษณ์เป็นเครื่องหมายลบ

ความร้อนจำเพาะและความจุความร้อนของสาร

ความร้อนจำเพาะคือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของสาร 1 กรัมขึ้น 1 ºC มันเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของวัสดุ หน่วยในระบบสากลคือจูล / กก. K (จูลระหว่างกิโลกรัม x อุณหภูมิเป็นองศาเคลวิน)

ความจุความร้อน C เป็นแนวคิดที่เชื่อมโยงกัน แต่แตกต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากมวลของวัตถุมีส่วนเกี่ยวข้อง ความจุความร้อนถูกกำหนดไว้ดังนี้:

หน่วย SI คือ Joule / K ดังนั้นความร้อนที่ปล่อยออกมาสามารถแสดงได้เทียบเท่ากับ:

วิธีการคำนวณ?

ในการคำนวณความร้อนที่ถ่ายโอนโดยวัตถุจำเป็นต้องทราบสิ่งต่อไปนี้:

- ความร้อนจำเพาะของสารที่ให้ความร้อน

- มวลของสารดังกล่าว

- อุณหภูมิสุดท้ายที่จะได้รับ

ค่าความร้อนจำเพาะสำหรับวัสดุหลายชนิดได้รับการทดลองแล้วและมีอยู่ในตาราง

calorimetry

ตอนนี้หากไม่ทราบค่านี้เป็นไปได้ที่จะได้รับด้วยความช่วยเหลือของเทอร์โมมิเตอร์และน้ำในภาชนะหุ้มฉนวนความร้อน: แคลอริมิเตอร์ แผนภาพของอุปกรณ์นี้แสดงในรูปที่มาพร้อมกับแบบฝึกหัด 1

ตัวอย่างของสารถูกแช่ไว้ที่อุณหภูมิหนึ่งในปริมาณน้ำที่วัดได้ก่อนหน้านี้ อุณหภูมิสุดท้ายจะถูกวัดและกำหนดความร้อนจำเพาะของวัสดุด้วยค่าที่ได้รับ

โดยการเปรียบเทียบผลลัพธ์กับค่าตารางทำให้สามารถทราบได้ว่ามันคือสารอะไร ขั้นตอนนี้เรียกว่า calorimetry

สมดุลความร้อนดำเนินการโดยการอนุรักษ์พลังงาน:

Q _{ให้ผล} + Q _{ดูดซึม = 0}

แบบฝึกหัดที่แก้ไข

แบบฝึกหัด 1

นำทองแดง 0.35 กก. ที่อุณหภูมิ150ºCในน้ำ 500 มล. ที่อุณหภูมิ25ºCค้นหา:

ก) อุณหภูมิสมดุลสุดท้าย

b) ความร้อนไหลในกระบวนการนี้มากแค่ไหน?

ข้อมูล

แผนผังของเครื่องวัดความร้อนพื้นฐาน: ภาชนะบรรจุน้ำที่มีฉนวนและเทอร์โมมิเตอร์เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ l ที่มา: ดร. ทิลาฮุนเทสเฟย์

สารละลาย

ก) ทองแดงให้ความร้อนในขณะที่น้ำดูดซับ เนื่องจากระบบถูกพิจารณาว่าปิดมีเพียงน้ำและตัวอย่างเท่านั้นที่เข้าไปแทรกแซงสมดุลความร้อน:

ในทางกลับกันจำเป็นต้องคำนวณมวลของน้ำ 500 มล.:

ด้วยข้อมูลเหล่านี้มวลของน้ำจะถูกคำนวณ:

สมการของความร้อนในแต่ละสารจะถูกยกขึ้น:

เท่ากับผลลัพธ์ที่เราได้:

มันเป็นสมการเชิงเส้นที่ไม่มีใครทราบคำตอบคือ

b) ปริมาณความร้อนที่ไหลคือความร้อนที่ถ่ายเทหรือความร้อนที่ดูดซับ:

_{ผลตอบแทน} Q = - 134.75 (32.56 - 150) J = 15823 J

Q _{ดูดซึม} = 2093 (32.56 - 25) J = 15823 J

แบบฝึกหัด 2

ทองแดง 100 กรัมถูกทำให้ร้อนในเตาเผาที่อุณหภูมิ T _oจากนั้นวางไว้ในเครื่องวัดความร้อนทองแดง 150 กรัมบรรจุน้ำ 200 กรัมที่ 16 ° C อุณหภูมิสุดท้ายเมื่ออยู่ในสภาวะสมดุลคือ 38 º C. เมื่อชั่งแคลอริมิเตอร์และเนื้อหาพบว่ามีน้ำระเหยออกไป 1.2 กรัมอุณหภูมิเริ่มต้น T _oคืออะไร?

สารละลาย

แบบฝึกหัดนี้แตกต่างจากก่อนหน้านี้เนื่องจากต้องพิจารณาว่าแคลอริมิเตอร์ดูดซับความร้อนด้วย ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากชิ้นทองแดงจะลงทุนในสิ่งต่อไปนี้ทั้งหมด:

- อุ่นน้ำในแคลอริมิเตอร์ (200 ก.)

- ให้ความร้อนทองแดงที่ใช้ทำแคลอริมิเตอร์ (150 ก.)

- ระเหยน้ำ 1.2 กรัม (ต้องใช้พลังงานในการเปลี่ยนเฟสด้วย)

ดังนั้น:

- 38.5 (38 - ต_o ) = 22397.3

ความร้อนที่จำเป็นในการทำให้น้ำ 1.2 กรัมขึ้นไปถึง100ºCนั้นอาจได้รับการพิจารณาเช่นกัน แต่ก็ถือว่าเป็นปริมาณที่ค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกัน

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 . ฉบับที่ 1. 556 - 553
5. Serway, R. , Vulle, C. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. 9 ^naเรียนรู้คลิกที่นี่