El proceso de transferir energía de un cuerpo a otro sin realizar trabajo se llama de intercambio de calor o transferencia de calor. El intercambio de calor se produce entre cuerpos que tienen diferentes temperaturas. Cuando se establece contacto entre cuerpos con diferentes temperaturas, parte de la energía interna se transfiere desde el cuerpo con mayor temperatura. alta temperatura a un cuerpo cuya temperatura es más baja. La energía transferida a un cuerpo como resultado del intercambio de calor se llama cantidad de calor.

Capacidad calorífica específica de una sustancia:

Si el proceso de transferencia de calor no va acompañado de trabajo, entonces, según la primera ley de la termodinámica, la cantidad de calor es igual al cambio en la energía interna del cuerpo: .

La energía promedio del movimiento de traslación aleatorio de las moléculas es proporcional a la temperatura absoluta. El cambio de energía interna de un cuerpo es igual a la suma algebraica de los cambios de energía de todos los átomos o moléculas, cuyo número es proporcional a la masa del cuerpo, por tanto el cambio de energía interna y, por tanto, la cantidad de calor es proporcional a la masa y al cambio de temperatura:

El factor de proporcionalidad en esta ecuación se llama capacidad calorífica específica de una sustancia. La capacidad calorífica específica muestra cuánto calor se necesita para calentar 1 kg de una sustancia a 1 K.

Trabajo en termodinámica:

En mecánica, el trabajo se define como el producto de los módulos de fuerza y ​​desplazamiento por el coseno del ángulo entre ellos. El trabajo se realiza cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo en movimiento y es igual al cambio en su energía cinética.

En termodinámica, no se considera el movimiento de un cuerpo en su conjunto; estamos hablando del movimiento de partes de un cuerpo macroscópico entre sí. Como resultado, el volumen del cuerpo cambia, pero su velocidad sigue siendo cero. El trabajo en termodinámica se define de la misma manera que en mecánica, pero es igual al cambio no en la energía cinética de un cuerpo, sino en su energía interna.

Cuando se realiza trabajo (compresión o expansión), la energía interna del gas cambia. La razón de esto es: durante las colisiones elásticas de moléculas de gas con un pistón en movimiento, su energía cinética cambia.

Calculemos el trabajo realizado por el gas durante la expansión. El gas ejerce una fuerza sobre el pistón.
, Dónde - presión del gas, y - área de superficie pistón Cuando el gas se expande, el pistón se mueve en la dirección de la fuerza. Distancia corta
. Si la distancia es pequeña, entonces la presión del gas se puede considerar constante. El trabajo realizado por el gas es:

Dónde
- cambio en el volumen de gas.

En el proceso de expansión del gas realiza un trabajo positivo, ya que la dirección de la fuerza y ​​el desplazamiento coinciden. Durante el proceso de expansión, el gas libera energía a los cuerpos circundantes.

El trabajo realizado por cuerpos externos sobre un gas difiere del trabajo realizado por un gas sólo en el signo.
, ya que la fuerza , que actúa sobre el gas, es opuesta a la fuerza , con el que el gas actúa sobre el pistón y es igual a él en módulo (tercera ley de Newton); pero el movimiento sigue siendo el mismo. Por tanto, el trabajo de las fuerzas externas es igual a:

.

Primera ley de la termodinámica:

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía, extendida a los fenómenos térmicos. Ley de conservación de la energía: La energía en la naturaleza no surge de la nada ni desaparece: la cantidad de energía no cambia, solo pasa de una forma a otra.

La termodinámica considera cuerpos cuyo centro de gravedad permanece prácticamente sin cambios. La energía mecánica de tales cuerpos permanece constante y sólo la energía interna puede cambiar.

La energía interna puede cambiar de dos maneras: transferencia de calor y trabajo. En el caso general, la energía interna cambia tanto debido a la transferencia de calor como al trabajo realizado. La primera ley de la termodinámica está formulada precisamente para casos tan generales:

El cambio en la energía interna de un sistema durante su transición de un estado a otro es igual a la suma del trabajo de las fuerzas externas y la cantidad de calor transferido al sistema:

Si el sistema está aislado, no se realiza ningún trabajo sobre él y no intercambia calor con los cuerpos circundantes. Según la primera ley de la termodinámica. La energía interna de un sistema aislado permanece sin cambios..

Teniendo en cuenta que
, la primera ley de la termodinámica se puede escribir de la siguiente manera:

La cantidad de calor transferida al sistema cambia su energía interna y realiza trabajo sobre cuerpos externos por parte del sistema..

Segunda ley de la termodinámica: Es imposible transferir calor de un sistema más frío a otro más caliente sin otros cambios simultáneos en ambos sistemas o en los cuerpos circundantes.

Energía interna sistema termodinámico se puede cambiar de dos maneras:

1. haciendo de nuevo trabajo del sistema,
2. utilizando interacción térmica.

La transferencia de calor a un cuerpo no está asociada con la realización de trabajos macroscópicos sobre el cuerpo. En este caso, el cambio en la energía interna se debe al hecho de que las moléculas individuales de un cuerpo con una temperatura más alta trabajan sobre algunas moléculas de un cuerpo que tiene una temperatura más baja. En este caso, la interacción térmica se produce debido a la conductividad térmica. La transferencia de energía también es posible mediante radiación. El sistema de procesos microscópicos (no relacionados con todo el cuerpo, sino con moléculas individuales) se llama transferencia de calor. La cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro como resultado de la transferencia de calor está determinada por la cantidad de calor que se transfiere de un cuerpo a otro.

Definición

Calor es la energía que recibe (o cede) un cuerpo en el proceso de intercambio de calor con los cuerpos circundantes (medio ambiente). El símbolo del calor suele ser la letra Q.

Esta es una de las cantidades básicas en termodinámica. Calor incluido en expresiones matemáticas Primer y segundo principios de la termodinámica. Se dice que el calor es energía en forma de movimiento molecular.

El calor se puede transferir al sistema (cuerpo) o se puede extraer de él. Se cree que si se transfiere calor al sistema, entonces es positivo.

Fórmula para calcular el calor cuando cambia la temperatura.

Denotemos la cantidad elemental de calor como . Tengamos en cuenta que el elemento de calor que recibe (cede) el sistema con un pequeño cambio en su estado no es un diferencial completo. La razón de esto es que el calor es función del proceso de cambio de estado del sistema.

La cantidad elemental de calor que se imparte al sistema, y ​​la temperatura cambia de T a T+dT, es igual a:

donde C es la capacidad calorífica del cuerpo. Si el cuerpo en cuestión es homogéneo, entonces la fórmula (1) para la cantidad de calor se puede representar como:

¿Dónde está la capacidad calorífica específica del cuerpo, m? masa corporal, es la capacidad calorífica molar, es la masa molar de la sustancia, es el número de moles de la sustancia.

Si el cuerpo es homogéneo y la capacidad calorífica se considera independiente de la temperatura, entonces la cantidad de calor () que recibe el cuerpo cuando su temperatura aumenta en una cantidad se puede calcular como:

donde t 2, t 1 temperaturas corporales antes y después del calentamiento. Tenga en cuenta que al encontrar la diferencia () en los cálculos, las temperaturas se pueden sustituir tanto en grados Celsius como en Kelvin.

Fórmula para la cantidad de calor durante las transiciones de fase.

La transición de una fase de una sustancia a otra va acompañada de la absorción o liberación de una determinada cantidad de calor, lo que se denomina calor de transición de fase.

Así, para transferir un elemento de materia del estado sólido al líquido, se le debe dar una cantidad de calor () igual a:

donde está el calor específico de fusión, dm es el elemento de masa corporal. Hay que tener en cuenta que el cuerpo debe tener una temperatura igual al punto de fusión de la sustancia en cuestión. Durante la cristalización, se libera calor igual a (4).

La cantidad de calor (calor de evaporación) necesaria para convertir un líquido en vapor se puede encontrar como:

donde r es el calor específico de evaporación. Cuando el vapor se condensa, se libera calor. El calor de evaporación es igual al calor de condensación de masas iguales de sustancia.

Unidades para medir la cantidad de calor.

La unidad básica de medida para la cantidad de calor en el sistema SI es: [Q]=J

Una unidad de calor extrasistema, que se encuentra a menudo en los cálculos técnicos. [Q]=cal (calorías). 1 cal=4,1868 J.

Ejemplos de resolución de problemas

Ejemplo

Ejercicio.¿Qué volúmenes de agua se deben mezclar para obtener 200 litros de agua a una temperatura de t = 40 C, si la temperatura de una masa de agua es t 1 = 10 C, la temperatura de la segunda masa de agua es t 2 = 60 C? ?

Solución. Escribamos la ecuación del balance de calor en la forma:

donde Q=cmt es la cantidad de calor preparada después de mezclar el agua; Q 1 = cm 1 t 1 - la cantidad de calor de una parte de agua con temperatura t 1 y masa m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - la cantidad de calor de una parte de agua con temperatura t 2 y masa m 2.

De la ecuación (1.1) se deduce:

Al combinar partes de agua fría (V 1) y caliente (V 2) en un solo volumen (V), podemos suponer que:

Entonces obtenemos un sistema de ecuaciones:

Resolviendolo obtenemos:

En la práctica, se utilizan a menudo cálculos térmicos. Por ejemplo, al construir edificios, es necesario tener en cuenta cuánto calor debe aportar todo el sistema de calefacción al edificio. También debe saber cuánto calor se escapará al espacio circundante a través de ventanas, paredes y puertas.

Mostraremos con ejemplos cómo realizar cálculos sencillos.

Por lo tanto, es necesario averiguar cuánto calor recibió la pieza de cobre cuando se calentó. Su masa era de 2 kg y la temperatura aumentó de 20 a 280 °C. Primero, usando la Tabla 1, determinamos la capacidad calorífica específica del cobre con m = 400 J / kg °C). Esto significa que para calentar una pieza de cobre que pesa 1 kg a 1 °C se necesitarán 400 J. Para calentar una pieza de cobre que pesa 2 kg a 1 °C, la cantidad de calor necesaria es 2 veces mayor: 800 J. La temperatura del cobre La parte debe aumentarse en más de 1 °C, y a 260 °C, esto significa que se necesitará 260 veces más calor, es decir, 800 J 260 = 208 000 J.

Si denotamos la masa como m, la diferencia entre las temperaturas final (t 2) e inicial (t 1) - t 2 - t 1, obtenemos una fórmula para calcular la cantidad de calor:

Q = cm(t 2 - t 1).

Ejemplo 1. Un caldero de hierro que pesa 5 kg se llena con agua que pesa 10 kg. ¿Cuánto calor se debe transferir a la caldera con agua para cambiar su temperatura de 10 a 100 °C?

Al resolver el problema, es necesario tener en cuenta que ambos cuerpos, la caldera y el agua, se calentarán juntos. El intercambio de calor se produce entre ellos. Sus temperaturas se pueden considerar iguales, es decir, la temperatura de la caldera y del agua cambia de 100 °C - 10 °C = 90 °C. Pero las cantidades de calor que recibe la caldera y el agua no serán las mismas. Después de todo, sus masas y capacidades caloríficas específicas son diferentes.

Calentar agua en una olla

Ejemplo 2. Mezclamos agua que pesaba 0,8 kg a una temperatura de 25 °C y agua a una temperatura de 100 °C que pesaba 0,2 kg. Se midió la temperatura de la mezcla resultante y resultó ser 40ºC. Calcule cuánto calor cedió y recibió el agua caliente al enfriarse. agua fría cuando se calienta. Compara estas cantidades de calor.

Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.

Vemos que la cantidad de calor que desprende el agua caliente y la cantidad de calor recibido agua fría, son iguales entre sí. Este no es un resultado aleatorio. La experiencia muestra que si se produce un intercambio de calor entre cuerpos, la energía interna de todos los cuerpos que se calientan aumenta tanto como disminuye la energía interna de los cuerpos que se enfrían.

Al realizar experimentos, suele resultar que la energía que desprende el agua caliente es mayor que la energía que recibe el agua fría. Esto se explica por el hecho de que parte de la energía se transfiere al aire circundante y parte de la energía se transfiere al recipiente en el que se mezcló el agua. La igualdad de energía dada y recibida será más precisa cuanto menor sea la pérdida de energía permitida en el experimento. Si calculas y tienes en cuenta estas pérdidas, la igualdad será exacta.

Preguntas

1. ¿Qué necesitas saber para calcular la cantidad de calor que recibe un cuerpo cuando se calienta?
2. Explica con un ejemplo cómo se calcula la cantidad de calor que se imparte a un cuerpo cuando se calienta o se libera cuando se enfría.
3. Escribe una fórmula para calcular la cantidad de calor.
4. ¿Qué conclusión se puede sacar del experimento de mezclar frío y agua caliente? ¿Por qué estas energías no son iguales en la práctica?

Ejercicio 8

1. ¿Cuánto calor se requiere para calentar 0,1 kg de agua a 1 °C?
2. Calcule la cantidad de calor necesaria para calentar: a) una pieza de hierro fundido que pesa 1,5 kg para cambiar su temperatura en 200 °C; b) una cuchara de aluminio de 50 g de peso de 20 a 90 °C; c) una chimenea de ladrillos que pesa 2 toneladas de 10 a 40 °C.
3. ¿Cuánto calor se libera cuando se enfría agua con un volumen de 20 litros si la temperatura cambia de 100 a 50 °C?

DE INTERCAMBIO DE CALOR.

1. Intercambio de calor.

Intercambio de calor o transferencia de calor. Es el proceso de transferir la energía interna de un cuerpo a otro sin realizar trabajo.

Hay tres tipos de transferencia de calor.

1) Conductividad térmica- Se trata del intercambio de calor entre cuerpos durante su contacto directo.

2) Convección- Es un intercambio de calor en el que el calor se transfiere mediante flujos de gas o líquido.

3) Radiación– Se trata de un intercambio de calor mediante radiación electromagnética.

2. Cantidad de calor.

La cantidad de calor es una medida del cambio en la energía interna de un cuerpo durante el intercambio de calor. Denotado por la letra q.

Unidad para medir la cantidad de calor = 1 J.

La cantidad de calor que recibe un cuerpo de otro cuerpo como resultado del intercambio de calor se puede gastar en aumentar la temperatura (aumentando la energía cinética de las moléculas) o cambiando el estado de agregación (aumentando la energía potencial).

3.Capacidad calorífica específica de la sustancia.

La experiencia muestra que la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo de masa m desde la temperatura T 1 hasta la temperatura T 2 es proporcional a la masa del cuerpo my la diferencia de temperatura (T 2 - T 1), es decir

q = cm(t 2 - T. 1 ) = smetroΔ T,

Con se llama capacidad calorífica específica de la sustancia del cuerpo calentado.

La capacidad calorífica específica de una sustancia es igual a la cantidad de calor que se debe impartir a 1 kg de sustancia para calentarla en 1 K.

Unidad de medida de la capacidad calorífica específica =.

Los valores de capacidad calorífica de diversas sustancias se pueden encontrar en tablas físicas.

Se liberará exactamente la misma cantidad de calor Q cuando el cuerpo se enfríe mediante ΔT.

4.Calor específico de vaporización.

La experiencia demuestra que la cantidad de calor necesaria para convertir un líquido en vapor es proporcional a la masa del líquido, es decir

q = Lm,

¿Dónde está el coeficiente de proporcionalidad? l se llama calor específico de vaporización.

El calor específico de vaporización es igual a la cantidad de calor necesaria para convertir 1 kg de líquido en el punto de ebullición en vapor.

Unidad de medida para el calor específico de vaporización.

Durante el proceso inverso, la condensación de vapor, se libera calor en la misma cantidad que se gastó en la formación de vapor.

5.Calor específico de fusión.

La experiencia demuestra que la cantidad de calor necesaria para la transformación sólido en líquido, proporcional al peso corporal, es decir.

q = λ metro,

donde el coeficiente de proporcionalidad λ se denomina calor específico de fusión.

El calor específico de fusión es igual a la cantidad de calor necesaria para transformar un cuerpo sólido que pesa 1 kg en líquido en el punto de fusión.

Unidad de medida para el calor específico de fusión.

Durante el proceso inverso, la cristalización del líquido, se libera calor en la misma cantidad que se gastó en la fusión.

6. Calor específico de combustión.

La experiencia demuestra que la cantidad de calor liberado durante la combustión completa de un combustible es proporcional a la masa del combustible, es decir

q = qmetro,

Donde el coeficiente de proporcionalidad q se denomina calor específico de combustión.

El calor específico de combustión es igual a la cantidad de calor liberado durante la combustión completa de 1 kg de combustible.

Unidad de medida del calor específico de combustión.

7. Ecuación del balance de calor.

El intercambio de calor involucra dos o más cuerpos. Algunos cuerpos desprenden calor, mientras que otros lo reciben. El intercambio de calor se produce hasta que las temperaturas de los cuerpos se igualan. Según la ley de conservación de la energía, la cantidad de calor que se desprende es igual a la cantidad que se recibe. Sobre esta base se escribe la ecuación del balance de calor.

Veamos un ejemplo.

Un cuerpo de masa m 1, cuya capacidad calorífica es c 1, tiene una temperatura T 1, y un cuerpo de masa m 2, cuya capacidad calorífica es c 2, tiene una temperatura T 2. Además, T 1 es mayor que T 2. Estos cuerpos se ponen en contacto. La experiencia muestra que un cuerpo frío (m 2) comienza a calentarse y uno caliente (m 1) comienza a enfriarse. Esto sugiere que parte de la energía interna del cuerpo caliente se transfiere al frío y las temperaturas se igualan. Denotemos la temperatura general final por θ.

La cantidad de calor transferida de un cuerpo caliente a uno frío.

q transferido. = C 1 metro 1 (t 1 – θ )

La cantidad de calor que recibe un cuerpo frío de uno caliente.

q recibió. = C 2 metro 2 (θ – t 2 )

Según la ley de conservación de la energía. q transferido. = q recibió., es decir.

C 1 metro 1 (t 1 – θ )= C 2 metro 2 (θ – t 2 )

Abramos los corchetes y expresemos el valor de la temperatura total en estado estacionario θ.

En este caso obtenemos el valor de temperatura θ en kelvins.

Sin embargo, dado que Q se pasa en las expresiones. y se recibe Q. es la diferencia entre dos temperaturas, y es la misma tanto en Kelvin como en grados Celsius, entonces el cálculo se puede realizar en grados Celsius. Entonces

En este caso obtenemos el valor de temperatura θ en grados Celsius.

La igualación de temperaturas como resultado de la conductividad térmica puede explicarse basándose en la teoría cinética molecular como un intercambio. energía cinética entre moléculas cuando chocan durante un movimiento térmico caótico.

Este ejemplo se puede ilustrar con un gráfico.