Overview
Fuente: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de ciencias física, Universidad de California, Irvine, CA
Cuando se coloca una olla de agua sobre una estufa caliente, calor se dice "flujo" de la estufa al agua. Cuando dos o más objetos se ponen en contacto térmico entre sí, calor fluye espontáneamente de los objetos más calientes a los fríos, o en la dirección que tiende a igualar la temperatura entre los objetos. Por ejemplo, cuando se ponen cubos de hielo en un vaso de agua a temperatura ambiente, fluye calor desde el agua a los cubos de hielo y empiezan a derretirse. A menudo, el término "calor" se utiliza sistemáticamente, generalmente para referirse simplemente a la temperatura de algo. En el contexto de la termodinámica, el calor, como el trabajo, se define como una transferencia de energía. El calor es energía transferida de un objeto a otro debido a una diferencia de temperatura.
Además, es constante la energía total de cualquier sistema termodinámico aislado-es decir, energía se puede transferir a y desde diferentes objetos dentro del sistema y puede transformarse en diferentes tipos de energía, pero energía no puede ser creada ni destruida. Se trata de la primera ley de la termodinámica. Es muy similar a la ley de conservación de la energía discutida en otro video, pero en el contexto de procesos termodinámicos y de calor. En el caso de cubitos de hielo en el agua, si la primera ley de la termodinámica no es válida, entonces se podría esperar que añadir cubitos de hielo a una taza de agua de temperatura aislado haría hervir el agua, que implicaría la creación de energía.
Principles
Hay una clara distinción entre energía interna, temperatura y calor. La energía interna de una sustancia se refiere a la energía total de todas las moléculas en la sustancia. Su temperatura es una medida de la energía cinética promedio de todas las moléculas individuales. Considere dos pedazos de metal caliente en equilibrio termal descanso al lado del otro, la mitad del tamaño del otro. Ambos tienen la misma temperatura, pero la más pequeña pieza de metal tiene la mitad de la energía térmica que el otro. Finalmente, el calor, como hemos comentado anteriormente, es la transferencia de energía de diferentes objetos.
Si el calor fluye en un objeto, la temperatura del objeto aumenta. Sin embargo, la cantidad de la subida de la temperatura depende del tipo de material que el calor fluye en. La cantidad de calor, Q, requerido para cambiar la temperatura de cualquier material dado es proporcional a la masa m del material presente y a la Δ de cambio de temperaturaT. Esta relación simple se expresa como:
Q = mc ΔT, (ecuación 1)
donde c es una cualidad característica del material denominada calor específico (o a veces se llama calor específico). Reorganizando la ecuación 1 da:
c = Q / (m ΔT). (Ecuación 2)
Por lo tanto, las unidades de calor específico es J. El calor específico puede ser descrito como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 g de una sustancia en 1 ° C. A presión atmosférica estándar, el calor específico del agua se sabe para ser J/(g°C) 4.18. En otras palabras, si 4.18 J de energía se suministra a 1 g de agua, su temperatura aumentaría en 1 ° C. Sin embargo, esto es asumiendo que la muestra de agua está suficientemente aislada de su entorno. Si no es así, algo de la energía se transfiere al agua podrían perderse para el entorno que rodea el agua, el aire, por ejemplo. Este tipo de pérdida de energía, o la transferencia, se conoce como el sistema de "trabajo." La primera ley de la termodinámica se puede escribir entonces como:
ΔU = Q - W, (ecuación 3)
donde U es la energía interna total de un sistema, Q es el calor añadido al sistema, y W es el trabajo realizado por el sistema.
Este laboratorio contará con un "calorímetro de taza café", que es esencialmente una taza de espuma de poliestireno. Espuma de poliestireno suficientemente aísla la sustancia interior de los alrededores de la taza para que el sistema no hará ningún trabajo y W = 0.
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Procedure
1. medir la capacidad de calor específico del plomo y demostrar la primera ley de la termodinámica.
- Obtener una escala, una muestra de plomo, dos tazas de poliestireno, un vaso de precipitados de 300 mL (o mayor), un elemento de calefacción, un termómetro, un trozo de cuerda, agua a temperatura ambiente, una varilla para soporte con abrazaderas, una probeta graduada y tijeras.
- Cortar una pequeña porción de la parte superior de una de las copas de espuma de poliestireno para que pueda actuar como una tapa para la taza de otros. Hacer un pequeño agujero en la parte inferior, suficientemente grande para que quepa, pero no más grande que la circunferencia del termómetro el termómetro.
- Medir 220 mL de agua utilizando el cilindro graduado y vierta en el vaso de espuma de poliestireno sin modificar. Como alternativa, puede sopesarse 220 g de agua.
- Coloque la taza de espuma de poliestireno modificada encima de la taza de agua para que actúa como una tapa; Asegúrese de que encaje perfectamente. Si no es así, realizar las modificaciones apropiadas.
- Medir la temperatura del agua y registre en la tabla 1. El agua debe estar a temperatura ambiente.
- Llene el vaso con suficiente agua para que la muestra de plomo puede ser sumergida completamente. Coloque la muestra en el vaso con el agua y verifique que haya suficiente agua. Calentar el agua a ebullición con el elemento de calefacción.
- Fijar la cuerda a la muestra de plomo que puede suspenderse en el agua hirviendo. Coloque la muestra en el agua, con la cuerda para mover la muestra más adelante.
- Espere al menos 5 min para la muestra llegar a un equilibrio térmico con el agua hirviendo. Cuando la muestra de plomo se saca del agua hirviendo, disminuirá en la temperatura muy rápidamente. Medir la temperatura de la muestra fuera del agua hirviendo. Proceder a colocar la muestra en el calorímetro de la taza de café inmediatamente después de tomar su temperatura. Puede ser muy por debajo de 100 ° C. Anote esta temperatura en la tabla 1.
- El sistema de café en taza/plomo alrededor del remolino para asegurar una mezcla uniforme. Ver la temperatura en el termómetro cambia. Una vez que deja de cambiar, registran que la temperatura en la tabla 1.
- Utiliza la temperatura cambia el agua y la muestra de plomo y teniendo en cuenta el calor específico del agua, calcular la cabeza específica de plomo utilizando la ecuación 1.
Entalpía es un tipo de energía que fluye entre objetos de diferentes temperaturas.
Para entender la entalpia, uno debe estar familiarizado con la primera ley de la termodinámica, que establece que la energía no puede ser creada o destruida, sólo puede cambiar las formas. Y la cantidad total de energía en un sistema es constante.
El concepto de entalpia es evidente en una olla de agua sobre una estufa. Calor, denotada por la letra Q, fluye espontáneamente de la estufa caliente al agua fría. En respuesta, la temperatura del agua aumenta. Sin embargo, ya que este es un sistema abierto, hay calor perdido a los alrededores.
Por otra parte, un sistema puede ser termodinámicamente aislado, como un termo lleno de agua caliente, donde no se transfiere calor entre el sistema y sus alrededores. Si se te cae un pedazo de metal frío en este sistema, el calor fluye espontáneamente de la agua caliente a metal cooler. Por lo tanto, si aplicamos la primera ley de la termodinámica a este sistema aislado, podemos decir que el calor perdido por el agua, o el Qout, equivale al calor absorbido por el metal, o Qin.
En este video demostraremos este experimento de transferencia de calor simples que las pruebas de la primera ley de la termodinámica.
Antes de profundizar en el protocolo, vamos a repasar algunos conceptos importantes relacionados con este experimento. Como ya comentamos, calor, o Q, es un tipo de energía que se transfiere espontáneamente de un caliente a un objeto frío.
Calor a menudo se confunde con la temperatura, que es la medida de la energía cinética promedio de todas las moléculas individuales de una sustancia. Por ejemplo, considere una pieza grande y pequeña de aluminio caliente en equilibrio termal. Ambos tienen la misma temperatura, sin embargo la más pequeña pieza de metal tiene menos energía térmica que otro porque tiene menos moléculas y menos masa.
La relación entre calor y temperatura es dada por esta fórmula: Q = mCΔT. Por lo tanto, la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura depende de la masa, m, que tiene sentido, ya que menos calor se requiere para elevar la temperatura de 1 gramo de aluminio en lugar de 1 kg.
El otro factor es C, o la capacidad de calor, que depende del material. Por ejemplo, la madera tiene una mayor capacidad de calor que el aluminio. Esto significa que se necesita menos calor para aumentar la temperatura de 1 kg de aluminio de 1 kg de madera.
C es una constante que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia por un grado. Estos valores se han calculado empíricamente para muchos materiales comunes, como el agua.
En la siguiente sección, veremos cómo calcular experimentalmente C plomo utilizando un calorímetro, que proporciona un sistema termodinámicamente aislado.
En primer lugar, obtener dos copas de espuma de poliestireno, que actuarán como el calorímetro aislado en este experimento. Cortar una pequeña porción de la parte superior de una taza, para que pueda actuar como una tapa para el otro. Perforar un pequeño agujero en la tapa para que el termómetro se ajuste apretado a través de
Verter 220 mL de agua en la taza sin modificar, luego coloque la tapa en la parte superior. Medir la temperatura del agua.
A continuación, llene un vaso con suficiente agua para que una muestra de plomo puede ser completamente sumergida. Coloque el vaso sobre un plato caliente y poner el agua a hervir.
Pesar una muestra de plomo y registrar la masa. Luego, fijar una cuerda y suspender con un soporte de anillo. Sumerja la muestra de plomo en el agua hirviendo hasta cubrirlo completamente con agua.
Espere cinco minutos para que la muestra alcanzar el equilibrio térmico con el agua hirviendo. Retire la muestra de agua hirviendo y registrar su temperatura inicial.
Rápidamente Coloque la muestra caliente en la taza y coloque la tapa en la parte superior. Deslice el termómetro por el orificio de la tapa.
Remolino de la taza de café con la muestra de plomo para asegurar una temperatura uniforme. Ver la temperatura en el termómetro como cambia y grabar la temperatura estabilizada final.
De la primera ley de la termodinámica, sabemos que en este experimento, el caliente pedazo de plomo transfiere calor al agua frío. Si suponemos que el calorímetro proporciona un sistema termodinámico aislado, la salida de calor de la cabeza igual a la entrada de calor al agua. Mediante la fórmula Q = mCΔT, obtenemos la siguiente ecuación.
De la experiencia, sabemos que la masa de la cabeza y el agua y el cambio de la temperatura del plomo y del agua. También se conoce la capacidad calorífica del agua. Así, se puede calcular la capacidad calorífica del plomo.
Esto está en excelente acuerdo con la conocida capacidad de calor de plomo, 0.128. Este resultado valida la primera ley de la termodinámica.
Transferencia de calor y los principios de conservación de la energía se aplican a varios eventos día a día, pero a menudo pasan inadvertidos. Estos son algunos ejemplos.
Un simple experimento con agua y hielo demuestra la primera ley de termodinámica y calor la transferencia por conducción térmica. Inicialmente, el vaso de agua a temperatura ambiente y se refresca con la adición de hielo. Finalmente, los derretimientos del hielo y el agua y el hielo derretido alcancen la misma temperatura, como el calor fue transferido del agua al hielo.
Sin embargo, porque el sistema no está aislado de los alrededores, finalmente la sala más caliente transfiere calor al agua, aumento de la temperatura.
Otro ejemplo de transferencia de calor es entre el sol y la tierra. Sin embargo, esto sucede mediante radiación térmica, ya que el sol está a una temperatura mucho mayor que la tierra, el calor fluye desde el sol a la tierra. Sin embargo, no todo el calor se transfiere a la tierra, como algo se pierde a otros cuerpos en el universo y con el entorno.
Sólo ha visto la introducción de Zeus al calor y a la primera ley de la termodinámica. Ahora debe entender el concepto básico de la conservación de la energía y calor. ¡Gracias por ver!
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Results
Con los valores registrados en la tabla 1, se puede calcular el calor específico del plomo. De la primera ley de la termodinámica, se sabe que energía es creada ni destruida en un sistema aislado, pero puede transferir energía entre los diferentes objetos dentro del sistema. Cuando el caliente pedazo de plomo es colocar en el calorímetro de la taza de café, calor será suministrado desde el plomo al agua, y que la transferencia de calor es conservada; es decir, la salida de calor de la cabeza, Qhacia fuera, es igual a la entrada de calor del agua, Qen
Qsalida = Qen. (Ecuación 4)
Como en la ecuación 3, la energía total U es constante. Usando la ecuación 1, ecuación 4 puede ser escrito equivalente como:
mconducir cplomo ΔTplomo = magua cagua ΔTagua. (Ecuación 5)
Con el calor específico del agua que se sabe que J/(g°C) 4.18 y la información del cuadro 1, cllevar puede ser resuelto por:
cconducir = (magua cagua ΔTagua) / (Δtmplomo plomo) (ecuación 6)
= (220 g · 4.18 J / (g Co) · 1,2 ° C) / (43,4 Co · 201 g)
= 0.127 J/(g°C).
El valor aceptado para el calor específico del plomo es 0.128, por lo que los resultados aquí son excelentes de acuerdo, con sólo una diferencia de 1.5%.
Tabla 1. Resultados experimentales.
| Ti (° C) | Tf (° C) | m (g) | |
| Agua | 18.5 | 19.7 | 220 |
| Plomo | 63.1 | 19.7 | 201 |
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Applications and Summary
La primera ley de la termodinámica se aplica a toda la energía del universo no puede ser creado o destruido en todo el universo, pero todas las clases de transferencia de energía y transformaciones tienen lugar. Las plantas convierten la energía de la luz solar en la energía química almacenada en moléculas orgánicas, que muchas de las cuales comemos posteriormente. Centrales nucleares que producen gran parte de nuestra electricidad usan transferencia de calor desde las barras radiactivas caliente para producir vapor que acciona las turbinas que generan electricidad. Frigoríficos funcionan mediante el uso de electricidad para la extracción de calor del sistema. Un evaporador lleno de refrigerante y un condensador de realizar un trabajo en el refrigerador para efectuar a una transferencia de calor negativa.
Transferencia de calor se observó en un sistema cerrado entre un trozo de plomo y temperatura de agua. La capacidad de calor específico se midió mediante la medición de cambios de temperatura en cantidades conocidas de agua y plomo. Si el sistema de Copa de espuma de poliestireno no fue lo suficientemente aislado de sus alrededores, calor desde el sistema habría sido perdido-en otras palabras, la agua caliente/el plomo habría hecho trabajo sobre el entorno, como en la ecuación 3. Si fuera el caso, los cálculos realizados en este laboratorio habría sido mucho más difíciles de hacer, ya que el aire circundante disipa fácilmente el calor a su entorno. Como vasos de espuma de poliestireno actúa como un buen aislante, el sistema era considerado independiente del aire circundante. Se observó la primera ley de la termodinámica, como ninguna energía ha creado o destruido durante el experimento; la energía del sistema cerrado se conserva.
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