ความร้อนที่ละเอียดอ่อน: แนวคิดสูตรและแบบฝึกหัดที่มีการแก้ไข - กายภาพ - 2026

ความร้อนที่เหมาะสมเป็นพลังงานความร้อนที่จ่ายให้กับวัตถุโดยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น มันตรงกันข้ามกับความร้อนแฝงซึ่งพลังงานความร้อนไม่ได้เพิ่มอุณหภูมิ แต่ส่งเสริมการเปลี่ยนเฟสตัวอย่างเช่นจากของแข็งเป็นของเหลว

ตัวอย่างชี้แจงแนวคิด สมมติว่าเรามีหม้อน้ำที่อุณหภูมิห้อง 20 ° C เมื่อวางบนเตาความร้อนที่ให้มาจะเพิ่มอุณหภูมิของน้ำอย่างช้าๆจนถึง 100 ° C (อุณหภูมิน้ำเดือดที่ระดับน้ำทะเล) ความร้อนที่ให้มาเรียกว่าความร้อนที่เหมาะสม

ความร้อนที่ทำให้มืออุ่นขึ้นคือความร้อนที่สมเหตุสมผล ที่มา: Pixabay

เมื่อน้ำถึงจุดเดือดความร้อนจากเตาจะไม่เพิ่มอุณหภูมิของน้ำอีกต่อไปซึ่งยังคงอยู่ที่ 100 ° C ในกรณีนี้พลังงานความร้อนที่จัดหาจะลงทุนในการทำให้น้ำระเหย ความร้อนที่ให้มานั้นแฝงอยู่เนื่องจากไม่ได้เพิ่มอุณหภูมิ แต่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากเฟสของเหลวเป็นเฟสก๊าซแทน

เป็นข้อเท็จจริงจากการทดลองว่าความร้อนที่เหมาะสมที่จำเป็นในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมินั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับรูปแบบนั้นและมวลของวัตถุ

แนวคิดและสูตร

เป็นที่สังเกตว่านอกเหนือจากมวลและความแตกต่างของอุณหภูมิแล้วความร้อนที่เหมาะสมยังขึ้นอยู่กับวัสดุด้วย ด้วยเหตุนี้ค่าคงที่ของสัดส่วนระหว่างความร้อนที่เหมาะสมกับผลคูณของมวลและอุณหภูมิจึงเรียกว่าความร้อนจำเพาะ

ปริมาณความร้อนที่เหมาะสมที่จ่ายยังขึ้นอยู่กับวิธีการดำเนินการ ตัวอย่างเช่นมันจะแตกต่างกันถ้ากระบวนการดำเนินการที่ปริมาตรคงที่มากกว่าที่ความดันคงที่

สูตรสำหรับความร้อนที่เหมาะสมในกระบวนการไอโซบาริกกล่าวคือที่ความดันคงที่มีดังต่อไปนี้:

Q = cp. ม. (T f - T ฉัน)

ในสมการข้างต้น Q คือความร้อนที่สมเหตุสมผลที่จ่ายให้กับวัตถุที่มีมวล m ซึ่งทำให้อุณหภูมิเริ่มต้นสูงขึ้น T _iถึงค่าสุดท้าย Tf ในสมการก่อนหน้านี้ยังปรากฏ cp ซึ่งเป็นความร้อนจำเพาะของวัสดุที่ความดันคงที่เนื่องจากกระบวนการดำเนินการในลักษณะนี้

โปรดทราบด้วยว่าความร้อนที่สมเหตุสมผลจะเป็นบวกเมื่อถูกดูดซับโดยวัตถุและทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น

ในกรณีที่ความร้อนถูกจ่ายให้กับก๊าซที่อยู่ในภาชนะแข็งกระบวนการจะเป็นไอโซโคริกนั่นคือที่ปริมาตรคงที่ และสูตรความร้อนที่เหมาะสมจะเขียนดังนี้:

Q = c v. ม. (T f - T ฉัน)

ค่าสัมประสิทธิ์อะเดียแบติกγ

ผลหารระหว่างความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่และความร้อนจำเพาะที่ปริมาตรคงที่สำหรับวัสดุหรือสสารเดียวกันเรียกว่าสัมประสิทธิ์อะเดียแบติกซึ่งโดยทั่วไปแสดงด้วยตัวอักษรกรีกแกมมาγ

สัมประสิทธิ์อะเดียแบติกมีค่ามากกว่าเอกภาพ ความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของร่างกายหนึ่งกรัมขึ้นหนึ่งองศานั้นสูงกว่าในกระบวนการไอโซแบริกมากกว่าในไอโซคอริก

เนื่องจากในกรณีแรกส่วนหนึ่งของความร้อนถูกใช้เพื่อทำงานเชิงกล

นอกจากความร้อนจำเพาะแล้วยังกำหนดความจุความร้อนของร่างกายด้วย นี่คือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของร่างกายนั้นหนึ่งองศาเซนติเกรด

ความจุความร้อน C

ความจุความร้อนแสดงด้วยทุน C ในขณะที่ความร้อนจำเพาะด้วย c ขนาดเล็ก ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทั้งสองคือ:

C = c⋅ม

โดยที่ m มวลของร่างกาย

นอกจากนี้ยังใช้ความร้อนจำเพาะโมลาร์ซึ่งหมายถึงปริมาณความร้อนที่เหมาะสมที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของสารหนึ่งโมลขึ้นหนึ่งองศาเซลเซียสหรือเคลวิน

ความร้อนจำเพาะในของแข็งของเหลวและก๊าซ

ความร้อนจำเพาะโมลาร์ของของแข็งส่วนใหญ่มีค่าใกล้เคียงกับ 3 เท่า R โดยที่ R คือค่าคงที่ของก๊าซสากล R = 8.314472 J / (โมล *)

ตัวอย่างเช่นอลูมิเนียมมีความร้อนจำเพาะโมลาร์ 24.2 J / (mol ℃) ทองแดง 24.5 J / (mol ℃) ทอง 25.4 J / (mol ℃) และเหล็กอ่อน 25.1 J / (โมล℃) โปรดสังเกตว่าค่าเหล่านี้ใกล้เคียงกับ 3R = 24.9 J / (mol ℃)

ในทางตรงกันข้ามสำหรับก๊าซส่วนใหญ่ความร้อนจำเพาะโมลาร์จะใกล้เคียงกับ n (R / 2) โดยที่ n เป็นจำนวนเต็มและ R คือค่าคงที่ของก๊าซสากล จำนวนเต็ม n เกี่ยวข้องกับจำนวนองศาอิสระของโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นก๊าซ

ตัวอย่างเช่นในก๊าซอุดมคติเชิงเดี่ยวซึ่งโมเลกุลมีองศาอิสระในการแปลเพียงสามระดับความร้อนจำเพาะโมลาร์ที่ปริมาตรคงที่คือ 3 (R / 2) แต่ถ้าเป็นก๊าซอุดมคติไดอะตอมยังมีองศาการหมุนอีกสององศาดังนั้น cv = 5 (R / 2)

ในก๊าซในอุดมคติความสัมพันธ์ต่อไปนี้ระหว่างความร้อนจำเพาะโมลาร์ที่ความดันคงที่และปริมาตรคงที่ถือได้: cp = cv + R

น้ำสมควรได้รับการกล่าวถึงเป็นพิเศษ ในสถานะของเหลวที่ 25 ℃น้ำมี cp = 4.1813 J / (g ℃) ไอน้ำที่ 100 องศาเซลเซียสมี cp = 2.080 J / (g ℃) และน้ำแข็งน้ำที่ศูนย์องศาเซลเซียสมี cp = 2,050 J / (g *)

ความแตกต่างกับความร้อนแฝง

สสารสามารถอยู่ในสามสถานะ: ของแข็งของเหลวและก๊าซ พลังงานเป็นสิ่งจำเป็นในการเปลี่ยนสถานะ แต่สารแต่ละชนิดจะตอบสนองต่อสิ่งนั้นในลักษณะที่แตกต่างกันไปตามลักษณะโมเลกุลและอะตอม

เมื่อของแข็งหลอมเหลวหรือของเหลวระเหยอุณหภูมิของวัตถุจะคงที่จนกว่าอนุภาคทั้งหมดจะเปลี่ยนสถานะ

ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปได้ที่สารจะอยู่ในสภาวะสมดุลในสองขั้นตอน: ของแข็ง - ของเหลวหรือของเหลว - ไอเป็นต้น ปริมาณของสารสามารถถ่ายโอนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งได้โดยการเพิ่มหรือเอาความร้อนออกเล็กน้อยในขณะที่อุณหภูมิยังคงคงที่

ความร้อนที่จ่ายให้กับวัสดุทำให้อนุภาคสั่นเร็วขึ้นและเพิ่มพลังงานจลน์ ซึ่งแปลว่าอุณหภูมิสูงขึ้น

เป็นไปได้ว่าพลังงานที่พวกเขาได้รับนั้นยิ่งใหญ่มากจนพวกมันไม่กลับสู่ตำแหน่งสมดุลอีกต่อไปและการแยกระหว่างพวกมันจะเพิ่มขึ้น เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นอุณหภูมิจะไม่เพิ่มขึ้น แต่สารเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลวหรือจากของเหลวเป็นก๊าซ

ความร้อนที่จำเป็นในการเกิดสิ่งนี้เรียกว่าความร้อนแฝง ดังนั้นความร้อนแฝงคือความร้อนที่สารสามารถเปลี่ยนเฟสได้

นี่คือความแตกต่างกับความร้อนที่สมเหตุสมผล สารที่ดูดซับความร้อนที่เหมาะสมจะเพิ่มอุณหภูมิและยังคงอยู่ในสถานะเดิม

วิธีคำนวณความร้อนแฝง

ความร้อนแฝงคำนวณโดยสมการ:

โดยที่ L อาจเป็นความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอหรือความร้อนของฟิวชั่น หน่วยของ L คือพลังงาน / มวล

นักวิทยาศาสตร์ตั้งชื่อให้ความร้อนหลายชื่อขึ้นอยู่กับประเภทของปฏิกิริยาที่มันมีส่วนร่วม ตัวอย่างเช่นมีความร้อนของปฏิกิริยาความร้อนจากการเผาไหม้ความร้อนจากการแข็งตัวความร้อนของสารละลายความร้อนจากการระเหิดและอื่น ๆ อีกมากมาย

ค่าของความร้อนหลายประเภทเหล่านี้สำหรับสารต่างๆมีการจัดทำตาราง

แบบฝึกหัดที่แก้ไข

ตัวอย่าง 1

สมมติว่ามีชิ้นส่วนอลูมิเนียมมวล 3 กก. ตอนแรกอยู่ที่ 20 ° C และคุณต้องการเพิ่มอุณหภูมิเป็น 100 ° C คำนวณความร้อนที่เหมาะสมที่ต้องการ

สารละลาย

ก่อนอื่นเราต้องทราบความร้อนจำเพาะของอลูมิเนียม

cp = 0.897 J / (กรัม° C)

จากนั้นปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการให้ความร้อนแก่ชิ้นส่วนอลูมิเนียมจะเท่ากับ

Q = cpm (Tf - Ti) = 0.897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215 280 J

ตัวอย่าง 2

คำนวณปริมาณความร้อนที่ต้องการในการทำให้น้ำ 1 ลิตรร้อนตั้งแต่ 25 ° C ถึง 100 ° C ที่ระดับน้ำทะเล แสดงผลลัพธ์เป็นกิโลแคลอรีด้วย

สารละลาย

สิ่งแรกที่ต้องจำไว้คือน้ำ 1 ลิตรหนัก 1 กิโลกรัมนั่นคือ 1,000 กรัม

Q = cpm (Tf - Ti) = 4.1813 J / (g ℃) * 1,000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597.5 J

แคลอรี่เป็นหน่วยของพลังงานที่กำหนดให้เป็นความร้อนที่เหมาะสมในการเพิ่มน้ำหนึ่งกรัมขึ้นหนึ่งองศาเซลเซียส ดังนั้น 1 แคลอรี่เท่ากับ 4.1813 จูล

Q = 313597.5 J * (1 cal / 4.1813 J) = 75000 cal = 75 kcal

ตัวอย่างที่ 3

วัสดุ 360.16 กรัมถูกทำให้ร้อนตั้งแต่ 37 ℃ถึง 140 ℃ พลังงานความร้อนที่ให้คือ 1150 แคลอรี่

ทำความร้อนตัวอย่าง ที่มา: self made.

ค้นหาความร้อนจำเพาะของวัสดุ

สารละลาย

เราสามารถเขียนความร้อนจำเพาะเป็นฟังก์ชันของความร้อนที่สมเหตุสมผลมวลและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามสูตร:

cp = Q / (มΔT)

การแทนที่ข้อมูลเรามีดังต่อไปนี้:

cp = 1150 cal / (360.16 ก. * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0.0310 แคล / (g ℃)

แต่เนื่องจากหนึ่งแคลอรี่เท่ากับ 4.1813 J ผลลัพธ์จึงสามารถแสดงเป็น

cp = 0.130 J / (g ℃)

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. Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7 ฉบับแก้ไข. McGraw Hill 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน 309-332
5. เซียร์เซมันสกี้ 2559. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่. 14 ^ธ . VOLUME1 556-553
6. Serway, R. , Vulle, C. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. 9 ^naเรียนรู้คลิกที่นี่ 362-374