Overview
Quelle: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics & Astronomie, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA
Wenn ein Topf mit Wasser auf einem heißen Ofen platziert wird, soll Wärme "vom Herd nehmen, die Wasser fließen". Wenn zwei oder mehr Objekte in thermischen Kontakt mit einander gesetzt werden, fließt Wärme spontan von den heißeren Objekten zu den kälteren oder in die Richtung, die dazu neigt, die Temperatur zwischen den Objekten auszugleichen. Zum Beispiel wenn Eiswürfel in eine Tasse Raumtemperatur Wasser gesetzt werden, Wärme aus dem Wasser fließt, die Eiswürfel und sie beginnen zu schmelzen. Oft wird der Begriff "Wärme" uneinheitlich, in der Regel bezieht sich einfach auf die Temperatur von etwas verwendet. Im Rahmen der Thermodynamik ist Hitze, wie Arbeit, definiert als eine Übertragung von Energie. Wärme ist Energie, die durch einen Unterschied in der Temperatur von einem Objekt auf ein anderes übertragen.
Darüber hinaus ist die Gesamtenergie eines isolierten thermodynamischen System konstant-das heißt Energie übertragen werden kann, zu und von anderen Objekten innerhalb des Systems und kann auf verschiedene Arten von Energie umgewandelt werden, aber Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden. Dies ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik. Es ist sehr ähnlich zu der Erhaltung der Energiegesetz diskutiert, in einem anderen Video, aber im Zusammenhang mit Hitze und thermodynamische Prozesse. Bei Eiswürfel in Wasser wenn der erste Hauptsatz der Thermodynamik ungültig war, erwarten dann eine, Hinzufügen von Eiswürfeln zu einer isolierten Raumtemperatur Tasse Wasser würde das Wasser zum Kochen bringen, das die Schaffung von Energie bedeuten würde.
Principles
Gibt es eine klare Unterscheidung zwischen innere Energie, Temperatur und Wärme. Die innere Energie eines Stoffes bezieht sich auf die Gesamtenergie aller Moleküle in der Substanz. Seine Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie aller einzelnen Moleküle. Betrachten Sie zwei Stücke von Roheisen im thermischen Gleichgewicht ruht neben einander, die Hälfte der Größe des anderen. Beide haben die gleiche Temperatur, aber das kleinere Stück Metall hat die Hälfte die thermische Energie als die anderen. Schließlich ist Wärme, wie oben beschrieben die Übertragung von Energie aus verschiedenen Objekten.
Wenn Wärme in ein Objekt fließt, steigt die Temperatur des Objekts. Die Höhe der Temperaturanstieg hängt jedoch von der Art des Materials, das die Wärme fließt. Die Menge von Hitze, Q, erforderlich, um die Temperatur des Materials zu ändern ist proportional zur Masse m des vorliegenden Materials und zur Temperatur Änderung ΔT. Diese einfache Beziehung ist wie folgt ausgedrückt:
Q = Mc ΔT, (Gleichung 1)
wo c ist eine charakteristische Eigenschaft des Materials, seine spezifische Wärme genannt (oder manchmal auch spezifische Wärmekapazität). Neuanordnen von Gleichung 1 ergibt:
c = Q / (m ΔT). (Gleichung 2)
Daher ist die Einheiten der spezifischen Wärme J. Die spezifische Wärme kann als die Menge der Wärme benötigt, um 1 g eines Stoffes um 1 ° c zu erhöhen beschrieben werden Bei standard atmosphärischem Druck ist die spezifische Wärme von Wasser bekannt, 4,18 J/(g°C) werden. In anderen Worten, 1 g Wasser 4,18 J Energie zugeführt wird, würde seine Temperatur um 1 ° c erhöhen Dies ist jedoch davon aus, dass die Probe des Wassers von seiner Umgebung ausreichend isoliert ist. Wenn es nicht ist, könnte ein Teil der Energie an das Wasser abgegeben wird an die Umgebung rund um die Wasser-die umgebende Luft, zum Beispiel. Diese Art von Energieverlust oder Transfer, nennt man das System "Arbeit." Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann dann so geschrieben werden:
ΔU = Q - W, (Gleichung 3)
wo U die gesamte innere Energie eines Systems ist, Q ist die Wärme, die dem System hinzugefügt und W ist die Arbeit durch das System.
Diese Übungseinheit wird ein "Kaffee Tasse Kalorimeter," das ist im Wesentlichen ein Styroporbecher verfügen. Styropor isoliert ausreichend die innere Substanz aus der Umgebung des Cup, so dass das System keine Arbeit tun und W = 0.
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Procedure
1. Messen Sie die spezifische Wärmekapazität von Blei und demonstrieren Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik zu.
- Erhalten einer Skala, ein Lead-Probe, zwei Styropor Tassen, Becher 300 mL (oder größer), ein Heizelement, ein Thermometer, ein Stück Schnur, Wasser bei Raumtemperatur, einem Stab befestigt, um sich mit Klemmen, ein Messzylinder und Schere.
- Schneiden Sie einen kleinen Teil aus der Spitze eines der Styroporbecher, so dass sie als Deckel für den anderen Cup handeln kann. Machen Sie ein kleines Loch in den Boden, groß genug für das Thermometer durch, aber nicht größer als der Umfang des Thermometers zu passen.
- Messen Sie 220 mL Wasser mit den Messzylinder und gießen Sie sie in der unveränderten Styroporbecher. Alternativ können 220 g Wasser gewogen werden.
- Legen Sie die modifizierte Styroporbecher auf der Tasse Wasser damit es wie ein Deckel wirkt; Stellen Sie sicher, dass es eng anliegt. Wenn dies nicht der Fall ist, die entsprechenden Änderungen vornehmen.
- Messen Sie die Temperatur des Wassers und in Tabelle 1. Das Wasser sollte Zimmertemperatur haben.
- Füllen Sie den Becher mit genügend Wasser, sodass die Blei-Probe vollständig eingetaucht werden kann. Legen Sie die Probe in das Becherglas mit Wasser und stellen Sie sicher, dass genügend Wasser. Erhitzen Sie das Wasser zum Kochen mit dem Heizelement.
- Fügen Sie die Zeichenfolge der Probe führen, damit es in das kochende Wasser ausgesetzt werden kann. Legen Sie die Probe in das Wasser mit der Zeichenfolge für das Verschieben der Probenmaterials später zugänglich.
- Warten Sie mindestens 5 min für die Stichprobe zu thermischen Gleichgewicht mit dem kochenden Wasser kommen. Wenn die Lead-Probe aus dem kochenden Wasser entfernt wird, wird es in Temperatur sehr schnell abnehmen. Messen Sie die Temperatur der Probe außerhalb des kochenden Wassers. Fahren Sie mit die Probe in die Kaffee-Tasse-Kalorimeter zu platzieren, sofort nach der Einnahme von seiner Temperatur. Es ist möglicherweise deutlich unter 100 ° C. Notieren Sie diese Temperatur in Tabelle 1.
- Schwenken Sie die Kaffee-Tasse/Lead-System um um eine einheitliche Mischung zu gewährleisten. Beobachten Sie die Temperatur am Thermometer, wie es ändert. Sobald es aufhört, ändern, zeichnen Sie auf, dass die Temperatur in Tabelle 1.
- Ändert sich mit der Temperatur des Wassers und der Lead-Probe, und angesichts der spezifischen Wärme des Wassers, den spezifischen Kopf von Blei mit Gleichung 1berechnen.
Enthalpie ist eine Art von Energie, die zwischen Objekten unterschiedlicher Temperaturen fließt.
Um Enthalpie zu verstehen, muss man mit der erste Hauptsatz der Thermodynamik, vertraut sein, die besagt, dass die Energie nicht erstellt oder zerstört werden, es kann nur Formulare ändern. Und die Gesamtmenge der Energie in einem System ist konstant.
Das Konzept der Enthalpie spiegelt sich in einen Topf mit Wasser auf dem Herd. Wärme, gekennzeichnet durch den Buchstaben Q, fließt spontan aus dem heißen Ofen, kühleres Wasser. Als Reaktion darauf steigt die Temperatur des Wassers. Da es sich um ein offenes System handelt, ist jedoch etwas Wärme an die Umgebung verloren.
Auf der anderen Seite ein System kann thermodynamisch isoliert werden, wie eine Thermoskanne mit heißem Wasser, wo Wärme wird nicht zwischen dem System und seiner Umgebung übertragen. Wenn Sie ein Stück ein kaltes Metall in diesem System ablegen, fließt die Wärme spontan aus dem heißen Wasser zu den kühleren Metall. Also, wenn wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik auf dieser isolierten System anwenden, können wir sagen, dass der Wärmeverlust durch das Wasser oder Qout, von Metall oder Qin absorbierten Wärme entspricht.
In diesem Video zeigen wir dieses einfache Hitze-Transfer-Experiment, das den ersten Hauptsatz der Thermodynamik testet.
Vor dem Eintauchen in das Protokoll, betrachten wir nun einige wichtige Begriffe im Zusammenhang mit diesem Experiment. Wie bereits besprochen, ist Hitze oder Q, eine Art von Energie, die spontan von einem heißen, ein kalter Körper übertragen wird.
Wärme wird oft verwechselt mit der Temperatur, die das Maß für die mittlere kinetische Energie aller die einzelnen Moleküle in einer Substanz ist. Betrachten Sie z. B. eine große und kleine Stück Aluminium im thermischen Gleichgewicht. Beide haben die gleiche Temperatur, jedoch das kleinere Stück Metall weniger thermische Energie als die anderen, hat weil es weniger Moleküle und weniger Masse hat.
Die Beziehung zwischen Temperatur und Wärme ergibt sich aus dieser Formel: Q = mCΔT. Wärmemenge, die benötigt, um die Temperatur zu erhöhen hängt daher Masse m, das macht Sinn, da weniger Wärme benötigt, um die Temperatur von 1 Gramm Aluminium im Gegensatz zu 1 kg erhöhen wird.
Der andere Faktor ist C oder die Wärmekapazität, die abhängig von dem Material. Holz hat zum Beispiel eine höhere Wärmekapazität als Aluminium. Dies bedeutet, dass weniger Wärme benötigt wird, um die Temperatur von 1 kg Aluminium als 1 kg des Holzes zu erhöhen.
C ist eine konstante, die definiert ist als die Menge der Wärme benötigt, um die Temperatur einer Einheit Masse eines Stoffes um ein Grad zu erhöhen. Diese Werte wurden empirisch für viele gängigen Materialien, wie Wasser berechnet.
Im nächsten Abschnitt werden wir sehen, wie experimentell C für Blei mit einem Kalorimeter, bietet eine thermodynamisch Inselanlage zu berechnen.
Erstens erhalten Sie zwei Styroporbecher, die als isolierte Kalorimeter in diesem Experiment fungieren wird. Schneiden Sie eine kleine Portion aus der oben in eine Tasse, so dass es als Deckel für den anderen handeln kann. Ein kleines Loch in den Deckel zu Stanzen, damit das Thermometer durch eng passen
Gießen Sie 220 mL Wasser in den unveränderten Tasse, dann setzen Sie den Deckel an der Spitze. Messen Sie die Temperatur des Wassers.
Als Nächstes füllen Sie ein Becherglas mit genügend Wasser, so dass eine Blei-Probe vollständig untergetaucht werden kann. Stellen Sie den Becher auf einer heißen Platte, und bringen Sie das Wasser zum Kochen.
Weigh eine Blei-Probe, und nimmt die Masse. Dann befestigen Sie eine Schnur und hängen Sie es mit einem Ring Stand. Tauchen Sie die Blei-Probe in das kochende Wasser, bis es vollständig mit Wasser bedeckt ist.
Warten Sie fünf Minuten, die Probe, thermisches Gleichgewicht mit dem kochenden Wasser zu erreichen. Entfernen Sie die Probe aus dem kochenden Wasser zu, und zeichnen Sie seine Ausgangstemperatur.
Schnell legen Sie die heiße Probe in die Tasse, und setzen Sie den Deckel an der Spitze. Schieben Sie das Thermometer wieder durch das Loch im Deckel.
Schwenken Sie die Tasse mit der Lead-Probe um eine gleichmäßige Temperatur zu gewährleisten. Sehen Sie die Temperatur auf dem Thermometer zu, wie es ändert, und zeichnen Sie die Endtemperatur stabilisierte.
Aus der erste Hauptsatz der Thermodynamik wissen wir, dass in diesem Experiment, das heiße Stück Blei Wärme an das kältere Wasser übertragen. Wenn wir davon ausgehen, dass das Kalorimeter thermodynamisch Inselanlage bietet, entspricht die Wärmeabgabe von der Spitze den Wärmeeintrag in das Wasser. Mit Hilfe der Formel Q = mCΔT, erhalten wir die folgende Gleichung.
Aus dem Experiment wissen wir die Masse der Führung und des Wassers und der Temperaturänderung von Blei und Wasser. Die Wärmekapazität des Wassers ist auch bekannt. So kann die Wärmekapazität von Blei berechnet werden.
Dies ist in exzellenter Übereinstimmung mit der bekannten Wärmekapazität von Blei, 0.128. Dieses Ergebnis bestätigt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik.
Wärmeübertragung und der Erhaltung der Energie-Prinzipien gelten für mehrere tägliche Ereignisse, aber oft unbemerkt. Hier sind einige Beispiele.
Ein einfaches Experiment mit Wasser und Eis zeigt der erste Hauptsatz der Thermodynamik und Wärmeübertragung durch Wärmeleitung. Zunächst das Glas Wasser ist bei Zimmertemperatur und wird mit der Zugabe von Eis gekühlt. Schließlich erreichen das Eis schmilzt, das Wasser und die geschmolzene Eis die gleiche Temperatur wie Wärme aus dem Wasser auf das Eis übertragen wurde.
Jedoch weil das System nicht von der Umgebung isoliert ist, überträgt schließlich die wärmeren Raum Wärme auf das Wasser, die Erhöhung der Temperatur.
Ein weiteres Beispiel der Wärmeübertragung ist die zwischen der Sonne und der Erde. Jedoch in diesem Fall durch thermische Strahlung, da die Sonne bei einer viel höheren Temperatur als die Erde, fließt die Wärme von der Sonne zur Erde. Allerdings wird nicht alle Wärme auf die Erde übertragen, da einige ist verloren an andere Stellen im Universum und in die Umgebung.
Sie sah nur Jupiters Einführung in die Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik. Sie sollten nun das Grundkonzept der Hitze und der Erhaltung der Energie verstehen. Danke fürs Zuschauen!
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Results
Die Werte in Tabelle 1aufgenommen kann, die spezifische Wärme von Blei berechnet werden. Aus der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist bekannt, dass Energie weder erschaffen noch zerstört in einem isolierten System, aber Energie kann zwischen verschiedenen Objekten innerhalb des Systems übertragen. Wann ist das heiße Stück Blei legen Sie in der Kaffee-Tasse-Kalorimeter, Wärme vom Lead zum Wasser geliefert wird, und dass Wärmeübertragung konserviert; Das heißt, entspricht die Heizleistung von Blei, Qheraus, den Wärmeeintrag des Wassers, Qin
Q, Qin=. (Gleichung 4)
Wie in Gleichung 3ist die gesamte Energie U konstant. Verwendung von Gleichung 1, kann die Gleichung 4 als gleichwertig geschrieben werden:
mführen cführen ΔTführen = mWasser CWasser ΔTWasser. (Gleichung 5)
Mit der spezifischen Wärme des Wassers, die bekanntermaßen 4,18 J/(g°C) und die Informationen aus der Tabelle 1kann Cführen für gelöst werden:
Cführen = (mWasser CWasser ΔTWasser) / (mführen Δtführen) (Gleichung 6)
= (220 g · 4,18 J / (g Co) · 1,2 ° C) / (43,4 Co · 201 g)
= 0.127 J/(g°C).
Die akzeptierte Wert für die spezifische Wärme von Blei ist 0.128, so sind die Ergebnisse hier in exzellenter Übereinstimmung mit nur 1,5 % Unterschied.
Tabelle 1. Experimentelle Ergebnisse.
| TIch (° C) | Tf (° C) | m (g) | |
| Wasser | 18,5 | 19,7 | 220 |
| Führen | 63,1 | 19,7 | 201 |
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Applications and Summary
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik gilt für das gesamte Universum-keine Energie kann erstellt oder zerstört im ganzen Universum, aber alle Arten von Energie-Transfers und Transformationen statt. Pflanzen wandeln Energie aus Sonnenlicht in chemische Energie gespeichert in organischen Molekülen, von denen wir später essen. Kernkraftwerke, die viel von unseren Strom produzieren verwenden Wärmeübergang vom heißen radioaktive Stäbe für die Dampferzeugung, der Turbinen antreibt, die Strom erzeugen. Kühlschränke arbeiten mit Strom zu ziehen Wärme aus dem System heraus. Ein Verdampfer mit Kühlmittel gefüllt und ein Kondensator führen arbeiten an den Kühlschrank, eine negative Wärmeübertragung zu bewirken.
Wärmeübertragung wurde in einem geschlossenen System zwischen ein Stück Blei und Raumtemperatur Warmwasser beobachtet. Die spezifische Wärmekapazität wurde gemessen, indem Sie messen Temperaturänderungen in bekannten Mengen Wasser und führen. Wenn die Styropor-Cup-System von seiner Umgebung nicht ausreichend isoliert war, Wärme aus dem System würde haben schon verloren-mit anderen Worten, die Warmwasser/Führung hätte Arbeit auf die Umgebung, wie in Gleichung 3. Wenn dies der Fall war, die Berechnungen in dieser Übungseinheit hätte sehr viel schwieriger zu machen, da die Umgebungsluft Wärme an seine Umgebung leicht zerstreut,. Da Styropor Tassen fungiert als ein guter Isolator, galt das System unabhängig von der Umgebungsluft. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik wurde beobachtet, wie keine Energie erstellt oder während des Experiments zerstört wurde; die Energie des geschlossenen Systems wurde konserviert.
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