Ciepło i kalorymetria
Ciepło zawsze płynie od cieplejszego ciała do zimniejszego, nigdy odwrotnie, aż oba osiągną tę samą temperaturę. Ile energii to wymaga, zależy od trzech rzeczy: ile rzeczy ogrzewasz, z czego jest zrobiona i jak dużą zmianę temperatury chcesz.
Wzór
Q = m · c · ΔT
- Q — energia cieplna (J): energia przekazana do obiektu lub z niego jako ciepło
- m — masa (kg): ile substancji jest ogrzewane lub chłodzone
- c — ciepło właściwe (J/(kg·K)): energia potrzebna do podgrzania jednego kilograma materiału o jeden kelwin
- ΔT — zmiana temperatury (K): różnica między temperaturą końcową a początkową
Przykład rozwiązany
Ile energii cieplnej potrzeba do podgrzania 2 kg wody o 5 kelwinów? (ciepło właściwe wody ≈ 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
Sprawdź się
Zamiast 2 kg masz teraz 4 kg wody i wciąż chcesz podnieść ją o 5 kelwinów. Ile energii potrzeba?
- 40 000 J
- 160 000 J
- Poprawna odpowiedź: 80 000 J
Zgadza się! Podwojenie masy podwaja potrzebną energię: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80 000 J.
Wróćmy do 2 kg wody, ale teraz podnieś jej temperaturę o 10 kelwinów zamiast 5. Ile energii potrzeba?
- Poprawna odpowiedź: 80 000 J
- 40 000 J
- 20 000 J
Dokładnie — podwojenie zmiany temperatury podwaja energię: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80 000 J.
Gdzie to widzisz
Tego samego popołudnia piasek na plaży parzy Ci stopy, a ocean pozostaje chłodny — kilogram wody pochłania około 4000 dżuli na kelwin, kilka razy więcej niż potrzebuje piasek, więc morze nagrzewa się powoli przez cały sezon. Metalowa łyżka w gorącej zupie pokazuje drugą stronę: niskie ciepło właściwe, szybka zmiana temperatury.
Częste błędy
Najgłębsze pomieszanie to utożsamianie ciepła z temperaturą — temperatura mówi, jak szybko cząsteczki poruszają się średnio, ciepło to energia w trakcie przepływu, a przelicznik między nimi to właśnie to, co stwierdza to prawo: Q = m · c · ΔT. Potem pilnuj proporcjonalności: podwojenie masy podwaja energię (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40 000 J zamienia się w 80 000 J przy 4 kg), a podwojenie zmiany temperatury daje to samo. Różne materiały naprawdę płacą różne stawki.
Jak się to łączy
Prawo gazu doskonałego pokazało Ci, jak temperatura gazu wyznacza jego ciśnienie; to jest cennik samej zmiany temperatury — masa, materiał i zmiana, przemnożone przez siebie. Silniki cieplne, następny temat, próbują przepuścić ten przepływ ciepła przez cykl i wyciągnąć z niego pracę, a będzie im mocno zależało na tym, ile ciepła musiały wydać.