Šiluma ir kalorimetrija
Šiluma visada teka iš karštesnio objekto į šaltesnį, niekada atvirkščiai, kol abu pasiekia tą pačią temperatūrą. Kiek energijos tai reikalauja, priklauso nuo trijų dalykų: kiek daug medžiagos kaitini, iš ko ji pagaminta, ir kokio dydžio temperatūros pokyčio nori.
Formulė
Q = m · c · ΔT
- Q — šilumos energija (J): energija, perduota į objektą arba iš jo kaip šiluma
- m — masė (kg): kiek medžiagos yra kaitinama arba vėsinama
- c — savitoji šiluminė talpa (J/(kg·K)): energija, reikalinga vienam kilogramui medžiagos pakelti vienu kelvinu
- ΔT — temperatūros pokytis (K): skirtumas tarp galutinės ir pradinės temperatūros
Išnagrinėtas pavyzdys
Kiek šilumos energijos reikia, kad įšiltų 2 kg vandens 5 kelvinais? (vandens savitoji šiluminė talpa ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40,000 J
Pasitikrink
Vietoj 2 kg, dabar turi 4 kg vandens ir vis dar nori pakelti 5 kelvinais. Kiek šilumos energijos reikia?
- 40,000 J
- 160,000 J
- Teisingas atsakymas: 80,000 J
Teisingai! Masės padvigubinimas padvigubina reikiamą energiją: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80 000 J.
Grįžtam prie 2 kg vandens, bet dabar nori pakelti jo temperatūrą 10 kelvinų vietoj 5. Kiek šilumos energijos reikia?
- Teisingas atsakymas: 80,000 J
- 40,000 J
- 20,000 J
Būtent — temperatūros pokyčio padvigubinimas padvigubina energiją: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80 000 J.
Kur tai matai
Tą pačią popietę paplūdimio smėlis degina pėdas, o vandenynas lieka vėsus — kilogramas vandens praryja maždaug 4000 džaulių kelvinui, keletą kartų daugiau, nei reikia smėliui, tad jūra šyla lėtai visą sezoną. Metalinis šaukštas karštoje sriuboje rodo kitą pusę: žema savitoji šiluminė talpa, greitas temperatūros šuolis.
Dažnos klaidos
Giliausias susipainiojimas — šiluma ir temperatūra kaip tas pats dalykas — temperatūra yra tai, kaip greitai molekulės vidutiniškai juda, šiluma yra energija kelyje, o mainų kursas tarp jų yra tai, ką skelbia šis dėsnis: Q = m · c · ΔT. Tada stebėk proporcingumą: masės padvigubinimas padvigubina energiją (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40 000 J tampa 80 000 J esant 4 kg), ir tą patį daro temperatūros pokyčio padvigubinimas. Skirtingos medžiagos tikrai moka skirtingus tarifus.
Kaip tai siejasi
Idealiovių dujų dėsnis pasakė, kaip dujų temperatūra nustato jos slėgį; tai yra kainoraštis temperatūrai keisti apskritai — masė, medžiaga ir pokytis, sudauginti. Šiluminiai varikliai, toliau, bando varyti tą šilumos srautą per ciklą ir išgauti iš jo darbą, ir jiems bus itin rūpi, kiek šilumos teko išleisti.