Căldură și calorimetrie
Căldura curge întotdeauna de la un obiect mai fierbinte spre unul mai rece, niciodată invers, până când ambele ating aceeași temperatură. Câtă energie cere asta depinde de trei lucruri: cât de mult material încălzești, din ce e făcut și cât de mare vrei să fie schimbarea de temperatură.
Formula
Q = m · c · ΔT
- Q — energia termică (J): energia transferată în sau dintr-un obiect sub formă de căldură
- m — masa (kg): cât din substanță este încălzită sau răcită
- c — căldura specifică (J/(kg·K)): energia necesară pentru a ridica un kilogram din material cu un kelvin
- ΔT — schimbarea de temperatură (K): diferența dintre temperatura finală și cea inițială
Exemplu rezolvat
Câtă energie termică este necesară pentru a încălzi 2 kg de apă cu 5 kelvin? (căldura specifică a apei ≈ 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
Testează-te
În loc de 2 kg, ai acum 4 kg de apă și vrei în continuare să o ridici cu 5 kelvin. Câtă energie termică este necesară?
- 40.000 J
- 160.000 J
- Răspuns corect: 80.000 J
Corect! Dublarea masei dublează energia necesară: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80.000 J.
Înapoi la cei 2 kg de apă, dar acum vrei să-i ridici temperatura cu 10 kelvin în loc de 5. Câtă energie termică este necesară?
- Răspuns corect: 80.000 J
- 40.000 J
- 20.000 J
Exact — dublarea schimbării de temperatură dublează energia: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80.000 J.
Unde vezi asta
În aceeași după-amiază, nisipul plajei îți arde tălpile în timp ce oceanul rămâne răcoros — un kilogram de apă absoarbe aproximativ 4000 de jouli per kelvin, de câteva ori mai mult decât are nevoie nisipul, deci marea se încălzește lent tot sezonul. O lingură de metal în supă fierbinte arată cealaltă parte: căldură specifică mică, variație rapidă de temperatură.
Greșeli frecvente
Cea mai profundă confuzie este căldura și temperatura tratate ca fiind același lucru — temperatura este cât de repede se mișcă în medie moleculele, căldura este energie în tranzit, iar rata de schimb dintre ele este exact ce afirmă această lege: Q = m · c · ΔT. Apoi urmărește proporționalitatea: dublarea masei dublează energia (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40.000 J devine 80.000 J la 4 kg), la fel și dublarea variației de temperatură. Materiale diferite plătesc cu adevărat rate diferite.
Cum se leagă
Legea gazului ideal ți-a spus cum temperatura unui gaz îi stabilește presiunea; aceasta este lista de prețuri pentru a schimba temperatura deloc — masă, material și variație, înmulțite. Motoarele termice, următoarele, încearcă să treacă acel flux de căldură printr-un ciclu și să extragă lucru mecanic din el, iar ele vor ține foarte mult la cât de multă căldură au trebuit să cheltuiască.