Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Calor

Calor

En la física, en particular en la termodinàmica, la calor es defineix com:

La contribució de l'energia transformada com a resultat d'una reacció química o nuclear i transferida entre dos sistemes, o entre dues parts d'un mateix sistema.

Aquesta energia no és atribuïble a una feina o una conversió entre dos diferents tipus d'energia.

La calor és, per tant, una forma d'energia transferida i no una forma d'energia continguda, com energia interna.

La calor i el treball són formes d'energia que no poden associar-se amb l'estat de el sistema, és a dir, amb la seva configuració d'equilibri. En particular, les dues formes d'energia es reconeixen en el moment en què transiten, flueixen.

El treball identifica el moment en què la força es realitza un canvi. En altres paraules, els fluxos de treball es realitzen en l'instant en què es produeixen; així com la calor s'identifica només en el moment de la seva transmissió.

Unitats per expressar la calor

El calor se mide en el Sistema Internacional en joules.

A la pràctica, però, sovint s'utilitza encara com la unitat de mesura de calories.

Una caloria és la quantitat de calor necessària per elevar un grau Celsius la temperatura d'un gram d'aigua destil·lada. Aquesta definició és vàlida en les condicions de pressió d'1 atm.

De vegades també s'usen unitats purament tècniques: com kWh o BTU.

Què és la calor específica?

La calor específica (o calor de massa específica) d'una substància es defineix com: la quantitat de calor necessària per augmentar o disminuir en un kelvin la temperatura d'una unitat de massa.

Recordem que la diferència entre un grau Celsius i un kelvin és la mateixa.

Una quantitat similar és la calor molar específic, també anomenat calor molar, es defineix com: la quantitat de calor necessària per augmentar o disminuir la temperatura d'un mol de substància en un grau.

En el sistema internacional la unitat de mesura de la calor específica és J / (K · kg), encara que la kcal / (kg × ° C) s'usa molt, mentre que la de calor molar és J / (K · mol).

Quins són els efectes de la calor?

Els efectes de la transferència de calor es descriuen per la primera llei de la termodinàmica en la seva forma més general:

ΔE = Q - W

on,
ΔE -> indica un canvi de qualsevol forma d'energia (tal com energia interna, energia cinètica, o energia potencial).
Q -> representa la calor.
W -> indica el treball (per canvi de volum o isócoro).

Les conseqüències de la transferència de calor poden ser principalment de dos tipus:

  1. variació d'energia
  2. intercanvi de treball.

Una forma particular d'energia que pot modificar-se després del pas de la calor és l'energia interna. La variació de l'energia interna pot tenir diferents conseqüències, inclòs un canvi en la temperatura o un canvi en l'estat d'agregació.

Què són la calor latent i la calor sensible?

Si la transferència de calor dóna com a resultat un canvi en l'estat d'agregació, aquesta calor pren el nom de calor latent. Si la transferència de calor dóna com a resultat una disminució en la diferència de temperatura (perquè els dos sistemes o dues parts de el mateix sistema tendeixen a assolir l'equilibri tèrmic) parlem de calor sensible.

La fórmula clàssica de la calor sensible és:

Q = c · m · ΔT

mentre que el de la calor latent és:

Q = λ · m

Finalment, en el cas que la transferència de calor impliqui tant una disminució en la diferència de temperatura com un canvi de fase, aquesta calor es pot considerar com la suma de dues contribucions:

  1. una contribució relacionada amb la calor sensible
  2. una contribució relacionada amb la calor latent.

Exemple

Per exemple, l'augment de la temperatura d'l'aigua de 20 ° C a 50 ° C en condicions estàndard (és a dir, a una pressió d'1 atm) es determina pel fet que es proporciona calor sensible. Si l'aigua ha arribat a la temperatura d'ebullició, emmagatzema energia (en forma de calor latent), mantenint la seva temperatura sense canvis, fins que es produeix el canvi de fase de líquid a vapor.

Per aquesta raó, un raig de vapor d'aigua a 100 ° C, que té energia emmagatzemada durant el pas de l'estat, pot causar cremades més severes que l'aigua a l'estat líquid a la mateixa temperatura.

També es parla de calor de reacció quan la calor es consumeix o es genera per una reacció química.

Quina relació tenen calor, temperatura i energia interna?

La calor no és una propietat associada amb una configuració d'equilibri termodinàmic. En presència d'un gradient de temperatura, la calor flueix des dels punts a temperatures més alts als que estan a temperatures més baixes, fins que s'aconsegueix l'equilibri tèrmic.

La quantitat de calor intercanviada depèn de la trajectòria en particular seguit de la transformació per arribar des de l'estat inicial a l'estat final.

En altres paraules, la calor no és una funció d'estat.

Energia interna

L'energia interna, al seu lloc, és una funció de l'estat associable amb una configuració d'equilibri (o estat termodinàmic) de sistema, depenent de les variables d'estat.

Per a la temperatura i l'energia internes tenen expressions lògiques (és a dir, són científicament correctes) de l'tipus: "el cos té una certa temperatura, té una certa energia interna, adquireix energia, dóna energia".

Energia en trànsit

D'altra banda, la calor no és una propietat termodinàmica. Les frases com "el cos té calor, cedeix calor, adquireix calor" no tenen cap valor científic. De fet, la calor pot definir-se com "energia en trànsit", no com "energia posseïda per un cos".

La calor és intercanviat entre dos cossos (o dues parts de el mateix cos) i no posseït per un sol cos (com és el cas de l'energia interna). En particular, la calor flueix a causa d'una diferència de temperatura entre el sistema en estudi. L'entorn que interactua amb ell. Llavors, la calor només es manifesta quan passa entre el sistema i l'entorn a causa d'una diferència de temperatura.

No es reconeix de cap manera dins de el sistema i el medi ambient com una propietat intrínseca de la mateixa.

Com es propaga la calor?

La transferència (o intercanvi o propagació) de calor entre sistemes es pot fer de tres maneres:

  • Conducció.
  • Convecció.
  • Irradiació.

Propagació de calor per conducció

En un sol cos o entre cossos en contacte hi ha una transmissió, per impactes, d' energia cinètica entre les molècules que pertanyen a les àrees veïnes de l'material.

En l'energia de conducció es transfereix a través de la matèria, però sense moviment macroscòpic de l'última.

Propagació de calor per convecció

En un fluid en moviment, les parts de fluid poden escalfar o refredar a l'entrar en contacte amb les superfícies exteriors. A continuació, en el curs del seu moviment (en el caràcter turbulent sovint), la transferència (sempre a executar), l'energia adquirida a altres superfícies, el que dóna lloc a una transferència de calor per advecció.

Propagació de calor per irradiació

Entre dos sistemes, la transmissió de calor pot tenir lloc a una distància (també en el buit).

La transferència es realitza mitjançant l'emissió, propagació i absorció de les ones electromagnètiques: el cos temperatura més baixa s'escalfa, la temperatura superior es refreda.

El mecanisme d'irradiació no requereix contacte físic entre els cossos involucrats en el procés.

Un exemple la calor que es propaga des del Sol cap a la terra mitjançant la radiació solar.

Detecció de temperatura

La sensació de "calor" o "fred" que sent a l'tocar un cos està determinada per la seva temperatura i la conductivitat tèrmica de l'material de què està feta, a més d'altres factors.

Encara que és possible comparar amb el tacte (amb certa precaució) les temperatures relatives de dos cossos, és impossible donar una avaluació absoluta.

Per calcular la transferència de calor s'utilitzen els calorímetres.

La temperatura és un índex de l'energia cinètica mitjana de les partícules de el cos sota examen. La calor és l'energia que un cos a una temperatura més alta transfereix a un cos a una temperatura més baixa (fins a tenir els dos cossos a la mateixa temperatura). La sensació de fred i calor es deu tant a la diferència de temperatura entre la mà i l'objecte com a la velocitat amb la qual l'objecte pot transferir (absorbir o alliberar) calor a la mà (o un altre objecte a diferents temperatures).

No obstant això, a l'proporcionar calor a un cos, no només augmenta la temperatura, llavors hi ha una sensació més aguda de calor, però hi ha variacions directament mesurables en algunes propietats físiques.

Exemples

Per exemple. Submergim una mà en aigua freda durant uns segons i l'altra en aigua calenta. Després submergim ambdues en aigua tèbia. La primera tindrà la sensació que l'aigua està calenta, la segona que està freda, perquè la temperatura percebuda és relatiu a el de la mà que està fent el mesurament.

Una avaluació relativa també és sovint impossible. Per exemple, a l'tocar una peça de fusta i una peça de metall. Suposem que tots dos materials han estat en el mateix ambient el temps suficient per assolir l'equilibri tèrmic amb l'entorn. A l'tocar-los es té la sensació que el metall és molt més fred, a causa de la diferent conductivitat tèrmica dels dos materials.

A el mateix temps col·loquem un termòmetre. Primer en contacte amb la fusta i després amb metall. Observem que la temperatura en els dos materials és la mateixa. La mateixa que la temperatura ambient.

Antecedents històrics de la calor

Durant la primera meitat de segle XVIII, els erudits van utilitzar la substància elemental anomenada flogist per explicar l'escalfament d'alguns materials i la combustió.

En els anys següents, els fenòmens tèrmics es remuntaven a la teoria segons la qual la calor era un fluid invisible. A l'entrar a la matèria d'un cos podia augmentar la seva temperatura.

Tot i els estudis de segle XVII de Boyle sobre la relació entre el moviment de les partícules i la calor, només cap al mig de el segle XIX es va establir les bases de la termodinàmica. Aquestes bases es van asseure gràcies als estudis Mayer (1842) i Joule (1843), relativa a la quantitat de calor i el treball necessari per aconseguir-ho.

Autor:

Data de publicació: 24 de agost de 2018
Última revisió: 21 de abril de 2020