Siltums un kalorimetrija
Siltums vienmēr plūst no karstāka ķermeņa uz aukstāku, nekad otrādi, līdz abi sasniedz to pašu temperatūru. Cik daudz enerģijas tas prasa, atkarīgs no trim lietām: cik daudz vielas tu sildi, no kā tā ir, un cik lielu temperatūras izmaiņu tu gribi.
Formula
Q = m · c · ΔT
- Q — siltuma enerģija (J): enerģija, kas pārnesta iekšā vai ārā no ķermeņa kā siltums
- m — masa (kg): cik daudz vielas tiek sildīts vai dzesēts
- c — īpatnējā siltumietilpība (J/(kg·K)): enerģija, kas vajadzīga, lai paceltu vienu kilogramu materiāla par vienu kelvinu
- ΔT — temperatūras izmaiņa (K): starpība starp galīgo un sākotnējo temperatūru
Izrēķināts piemērs
Cik daudz siltuma enerģijas vajadzīgs, lai sasildītu 2 kg ūdens par 5 kelviniem? (ūdens īpatnējā siltumietilpība ≈ 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
Pārbaudi sevi
2 kg vietā tev tagad ir 4 kg ūdens, un tu joprojām gribi to pacelt par 5 kelviniem. Cik daudz siltuma enerģijas vajadzīgs?
- 40 000 J
- 160 000 J
- Pareizā atbilde: 80 000 J
Pareizi! Masas dubultošana dubulto vajadzīgo enerģiju: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80,000 J.
Atpakaļ pie 2 kg ūdens, bet tagad tu gribi pacelt tās temperatūru par 10 kelviniem 5 vietā. Cik daudz siltuma enerģijas vajadzīgs?
- Pareizā atbilde: 80 000 J
- 40 000 J
- 20 000 J
Tieši tā — temperatūras izmaiņas dubultošana dubulto enerģiju: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80,000 J.
Kur tu to redzi
Tai pašā pēcpusdienā pludmales smiltis apdedzina tavas kājas, kamēr okeāns paliek vēss — kilograms ūdens norij aptuveni 4000 džoulus uz kelvinu, vairākas reizes vairāk nekā smiltis vajag, tāpēc jūra sasilst lēni visu sezonu. Metāla karote karstā zupā rāda otru pusi: zema siltumietilpība, ātra temperatūras svārstība.
Biežākās kļūdas
Dziļākais juceklis ir siltums un temperatūra kā viena lieta — temperatūra ir tas, cik ātri molekulas vidēji kustas, siltums ir enerģija tranzītā, un maiņas kurss starp tām ir tieši tas, ko šis likums saka: Q = m · c · ΔT. Tad vēro proporcionalitāti: masas dubultošana dubulto enerģiju (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40,000 J kļūst 80,000 J pie 4 kg), un tas pats attiecas uz temperatūras izmaiņas dubultošanu. Dažādi materiāli patiesi maksā dažādas likmes.
Kā tas savienojas
Ideālas gāzes likums tev pateica, kā gāzes temperatūra nosaka tās spiedienu; šī ir cenu lapu temperatūras maiņai vispār — masa, materiāls un izmaiņa, sareizināti. Siltuma dzinēji, tālāk, mēģina vadīt šo siltuma plūsmu cauri ciklam un izvilkt no tās darbu, un viņiem dziļi rūpēs, cik daudz siltuma tie bija jāiztērē.