Overview
출처: 케트론 미첼 윈, 박사, 아산타 쿠레이, 박사, 물리학 및 천문학, 물리 과학 학교, 캘리포니아 대학, 어바인, 캘리포니아
뜨거운 난로에 물 냄비를 놓으면, 열은 난로에서 물로 "흐르다"고합니다. 두 개 이상의 물체가 서로 열 접촉에 배치되면 열이 뜨거워지는 오브젝트에서 차가운 물체로 자발적으로 흐르거나 오브젝트 사이의 온도를 균등화하는 방향으로 흐릅니다. 예를 들어, 얼음 조각이 실온 물 한 잔에 넣으면 물에서 얼음 큐브로 가열되어 녹기 시작합니다. 종종 용어 "열"은 일반적으로 단순히 무언가의 온도를 참조하기 위해 일관되지 않게 사용됩니다. 열역학의 맥락에서, 열은, 일같이, 에너지의 전송으로 정의됩니다. 열은 온도 차이로 인해 한 물체에서 다른 물체로 에너지가 전달됩니다.
또한, 절연 된 열역학 시스템의 총 에너지는 일정 - 즉, 에너지는 시스템 내의 다른 물체로부터 전송 될 수 있으며 에너지의 다른 유형으로 변환 할 수 있지만, 에너지를 생성하거나 파괴 할 수 없습니다. 이것은 열역학의 첫 번째 법칙입니다. 그것은 다른 비디오에서 논의 된 에너지 법의 보존과 매우 유사하지만 열 및 열역학 프로세스의 맥락에서. 물에 얼음 조각의 경우, 열역학의 첫 번째 법칙이 유효하지 않은 경우, 하나는 얼음 큐브를 고립 된 실온 물 컵에 추가하면 물이 끓어 물이 끓어 에너지를 생성할 것으로 예상 할 수 있습니다.
Principles
내부 에너지, 온도 및 열 사이에는 명확한 차이가 있습니다. 물질의 내부 에너지는 물질내의 모든 분자의 총 에너지를 말합니다. 그것의 온도는 모든 개별 분자의 평균 운동 에너지의 측정입니다. 열 평형에 뜨거운 금속의 두 조각을 고려, 다른 크기의 절반. 둘 다 동일한 온도를 가지고 있지만, 금속의 작은 조각은 다른 것보다 절반열 에너지를 가지고 있습니다. 마지막으로, 위에서 설명한 바와 같이 열은 다른 물체로부터 에너지를 전달하는 것입니다.
열이 물체로 유입되면 물체의 온도가 상승합니다. 그러나 온도 상승량은 열이 유입되는 재료의 종류에 따라 달라집니다. 주어진 물질의 온도를 변경하는 데 필요한 열량, Q는존재하는 물질의 질량 m에 비례하고 온도 변화 ΔT에비례한다. 이 간단한 관계는 다음과 같이 표현됩니다.
Q = mc ΔT, (방정식 1)
여기서 c는 특정 열 (또는 때로는 특정 열 용량이라고도함)이라고 불리는 재료의 특성 품질입니다. 방정식 1을 재배열하면 다음을 제공합니다.
c = Q / (m ΔT). (방정식 2)
따라서 특정 열의 단위는 J입니다. 특정 열은 물질의 1g을 1°C 씩 올리는 데 필요한 열의 양으로 설명될 수 있다. 표준 대기압에서, 물의 특정 열은 4.18 J /(g°C)로 알려져 있다. 즉, 4.18 J의 에너지가 1g의 물에 공급되면 온도가 1 °C 증가합니다. 그러나, 이것은 물의 견본이 그것의 주변에서 충분히 고립된다는 것을 가정합니다. 그렇지 않다면 물로 옮겨지는 에너지 중 일부는 주변 공기를 둘러싼 환경으로 손실될 수 있습니다. 이러한 종류의 에너지 손실 또는 전송을 시스템 "작업"이라고 합니다. 그런 다음 열역학의 첫 번째 법칙을 다음과 같이 작성할 수 있습니다.
ΔU = Q - W, (방정식 3)
U가 시스템의 총 내부 에너지인 경우 Q는 시스템에 추가된 열이며 W는 시스템에서 수행하는 작업입니다.
이 실험실은 본질적으로 스티로폼 컵인 "커피 컵 칼로리계"를 특징으로 합니다. 스티로폼은 내부 물질을 컵 주변환경으로부터 충분히 절연하여 시스템이 작동하지 않고 W = 0을 수행합니다.
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Procedure
1. 납의 특정 열 용량을 측정하고 열역학의 첫 번째 법칙을 보여줍니다.
- 스케일, 납 샘플, 스티로폼 컵 2개, 300mL(또는 그 이상) 비커, 발열체, 온도계, 현, 실온에서의 물, 클램프로 서있는 막대, 졸업된 실린더 및 가위를 가져옵니다.
- 스티로폼 컵 의 상단에서 작은 부분을 잘라 다른 컵의 뚜껑 역할을 할 수 있도록. 온도계가 들어갈 수 있을 만큼 충분히 크지만 온도계의 둘레보다 크지는 않은 작은 구멍을 바닥에 만듭니다.
- 졸업한 실린더를 사용하여 220mL의 물을 측정하여 수정되지 않은 스티로폼 컵에 붓습니다. 또는 220g의 물을 계량할 수 있습니다.
- 수정된 스티로폼 컵을 물 컵 위에 놓아 뚜껑역할을 합니다. 그것은 아늑하게 맞는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 적절한 수정을 합니다.
- 물의 온도를 측정하고 표 1에기록합니다. 물은 실온에 있어야합니다.
- 리드 샘플이 완전히 침수될 수 있도록 비커를 충분한 물로 채웁니다. 샘플을 물과 함께 비커에 놓고 충분한 물이 있는지 확인합니다. 가열 요소를 사용하여 끓는 물을 가열합니다.
- 스트링을 리드 샘플에 부착하여 끓는 물에 매달아 넣을 수 있습니다. 샘플을 물에 배치하고 나중에 샘플을 이동하기 위해 문자열에 액세스할 수 있습니다.
- 시료가 끓는 물과 열 평형에 올 때까지 적어도 5 분 기다립니다. 납 샘플이 끓는 물에서 제거되면 온도가 매우 빠르게 감소합니다. 끓는 물 외부의 샘플 온도를 측정합니다. 온도를 취한 직후 커피컵 열량계에 샘플을 넣습니다. 그것은 100 °C 이하일 지도 모릅니다. 표 1에이 온도를 기록합니다.
- 균일 한 혼합물을 보장하기 위해 주위에 커피 컵 / 리드 시스템을 소용돌이. 온도계의 온도가 변하는 것을 지켜보십시오. 변경이 중지되면 표 1에서해당 온도를 기록합니다.
- 물과 납 샘플의 온도 변화를 사용하고, 물의 특정 열을 감안할 때, 방정식 1을사용하여 납의 특정 머리를 계산한다.
엔탈피는 다른 온도의 물체 사이를 흐르는 에너지의 한 유형입니다.
엔탈피를 이해하기 위해서는 에너지를 만들거나 파괴할 수 없다고 명시하는 열역학의 첫 번째 법칙에 익숙해야 하며, 형태만 바꿀 수 있습니다. 그리고 시스템의 총 에너지 양은 일정합니다.
난로에 물 냄비에서 엔탈피의 개념이 분명하다. 문자 Q로 표시된 열은 뜨거운 난로에서 시원한 물로 자발적으로 흐릅니다. 이에 따라 물의 온도가 상승합니다. 그러나 이것은 개방형 시스템이므로 주변 환경에 약간의 열이 손실됩니다.
다른 한편으로는, 열이 시스템과 그 주변 사이에 전달되지 않는 온수로 채워진 보온병처럼 시스템은 열역학적으로 격리 될 수 있습니다. 이 시스템에 차가운 금속 조각을 떨어뜨리면 열이 뜨거운 물에서 쿨러 금속으로 자발적으로 흐릅니다. 따라서 이 고립된 시스템에 열역학의 첫 번째 법칙을 적용하면 물에 의해 손실된 열또는 Qout이 금속 또는 진에 흡수되는 열과 같다고 말할 수 있습니다.
이 비디오에서는 열역학의 첫 번째 법칙을 테스트하는 이 간단한 열 전달 실험을 시연할 것입니다.
프로토콜을 자세히 보기 전에 이 실험과 관련된 몇 가지 중요한 개념을 살펴보겠습니다. 우리가 논의 한 바와 같이, 열, 또는 Q는, 자발적으로 차가운 개체에 뜨거운에서 전송되는 에너지의 유형입니다.
열은 종종 온도와 혼동, 이는 물질에 있는 개별 분자의 모든 평균 운동 에너지의 측정입니다. 예를 들어 열 평형에서 크고 작은 핫 알루미늄 조각을 고려하십시오. 둘 다 동일한 온도를 가지고 있지만, 금속의 작은 조각은 적은 분자와 적은 질량을 가지고 있기 때문에 다른 것보다 적은 열 에너지를 가지고있다.
열과 온도 사이의 관계는 이 수식인 Q = mCΔT에 의해 제공됩니다. 따라서 온도를 올리는 데 필요한 열량은 질량에 따라 달라지며, 이는 1kg이 아닌 알루미늄 1그램의 온도를 높이는 데 열을 적게 필요로 하기 때문에 의미가 있습니다.
다른 요인은 재료에 따라 달라지는 C 또는 열 용량입니다. 예를 들어, 목재는 알루미늄보다 열 용량이 높습니다. 즉, 1kg의 목재보다 알루미늄 1kg의 온도를 높이기 위해 더 적은 열이 필요하다는 것을 의미합니다.
C는 물질의 단위 질량의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열의 양으로 정의되는 상수이다. 이러한 값은 물과 같은 많은 일반적인 재료에 대해 경험적으로 계산되었습니다.
다음 섹션에서는 열역학적으로 격리된 시스템을 제공하는 열량계를 사용하여 납에 대해 C를 실험적으로 계산하는 방법을 살펴보겠습니다.
먼저, 이 실험에서 절연 칼로리계역할을 하는 두 개의 스티로폼 컵을 획득한다. 한 컵의 상단에서 작은 부분을 잘라 다른 컵에 대한 뚜껑 역할을 할 수 있도록. 온도계가 단단히 통과할 수 있도록 뚜껑에 작은 구멍을 펀치
220mL의 물을 수정되지 않은 컵에 붓은 다음 뚜껑을 위에 놓습니다. 물의 온도를 측정합니다.
다음으로, 납 샘플을 완전히 침수할 수 있도록 비커를 충분한 물로 채웁니다. 비커를 뜨거운 접시에 놓고 물을 끓입니다.
납 샘플의 무게를 측정하고 질량을 기록합니다. 그런 다음 문자열을 부착하고 링 스탠드를 사용하여 일시 중단합니다. 납 샘플을 끓는 물에 잠그면 물로 완전히 덮일 때까지 물을 담급합니다.
5분 간 기다려 시료가 끓는 물과 열 평형에 도달할 수 있도록 합니다. 끓는 물에서 샘플을 제거하고 초기 온도를 기록합니다.
뜨거운 샘플을 컵에 빠르게 넣고 뚜껑을 위에 놓습니다. 온도계를 뚜껑의 구멍을 통해 다시 밀어 내십시오.
균일한 온도를 보장하기 위해 리드 샘플로 커피 컵을 소용돌이. 온도계의 온도를 보고 온도계가 변하는 것을 보고 최종 안정화 된 온도를 기록하십시오.
열역학의 첫 번째 법칙에서, 우리는이 실험에서, 납의 뜨거운 조각이 차가운 물에 열을 전송 것을 알고있다. 열량계가 온도역학적으로 분리된 시스템을 제공한다고 가정하면 리드의 열 출력은 물에 대한 열 입력과 같습니다. 수식 Q = mCΔT를 사용하여 다음 방정식을 얻습니다.
실험에서 우리는 납과 물의 질량과 납과 물의 온도 변화를 알고 있습니다. 물의 열 용량도 알려져 있습니다. 따라서, 납의 열 용량을 계산할 수 있다.
이것은 납, 0.128의 알려진 열 용량과 우수한 계약입니다. 이 결과는 열역학의 첫 번째 법칙을 검증합니다.
열 전달과 에너지 원리의 보존은 여러 일상적인 이벤트에 적용되지만 종종 눈에 띄지 않습니다. 다음은 몇 가지 예입니다.
물과 얼음을 이용한 간단한 실험은 열전도에 의한 열역학 및 열 전달의 첫 번째 법칙을 보여줍니다. 처음에는 물 유리가 실온에 있으며 얼음을 추가하여 냉각됩니다. 결국, 얼음이 녹고 물과 녹은 얼음은 물에서 얼음으로 열을 옮겨가면서 동일한 온도에 도달합니다.
그러나, 시스템이 주변환경으로부터 고립되지 않기 때문에, 결국 따뜻한 방은 온도를 올리는 물로 열을 전달한다.
열 전달의 또 다른 예는 태양과 지구 사이의 하나입니다. 그러나, 이것은 열 방사선을 통해 발생, 태양은 지구 보다 훨씬 높은 온도에 있기 때문에, 열지구에 태양에서 흐르고. 그러나, 일부 우주와 주변의 다른 시체에 손실로, 모든 열은 지구로 전송되지 않습니다.
당신은 열에 대한 JoVE의 소개와 열역학의 첫 번째 법칙을 보았습니다. 이제 열의 기본 개념과 에너지 보존을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
표 1에기록된 값을 사용하여 리드의 특정 열을 계산할 수 있습니다. 열역학의 첫 번째 법칙에서, 에너지는 고립 된 시스템에서 생성되거나 파괴되지 않는 것으로 알려져 있지만, 에너지는 시스템 내의 다른 물체 사이를 전송할 수 있습니다. 납의 뜨거운 조각이 커피 컵 칼로리계에 넣으면, 열은 물로 이어질수로부터 공급되며 열 전달이 보존됩니다. 즉, 리드의 열 출력, Qout, 물의 열 입력과 동일, Qin
Q아웃 = Q에서. (방정식 4)
수학식 3에서와같이 총 에너지 U는 일정합니다. 방정식 1을사용하여 방정식 4는 다음과 같이 기록할 수 있습니다.
m리드 c리드 ΔT납 = m물 c δT물. (방정식 5)
4.18 J/(g°C)로 알려진 물의 특정 열과 표 1의정보로 c리드는다음을 해결할 수 있습니다.
c납 = (m물 c물 ΔT물) / (m납 Δt납) (방정식 6)
= (220g · 4.18 J/(g Co) · 1.2°C/ (43.4Co · 201 g)
= 0.127 J/(g°C).
납의 특정 열에 대한 허용 된 값은 0.128이므로 여기에있는 결과는 1.5 %의 차이와 함께 우수한 합의입니다.
표 1. 실험 결과.
| Ti (°C) | Tf(°C) | m (g) | |
| 물 | 18.5 | 19.7 | 220 |
| 납 | 63.1 | 19.7 | 201 |
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Applications and Summary
열역학의 첫 번째 법칙은 우주 전체에 적용되며, 우주 전체에 걸쳐 에너지가 생성되거나 파괴될 수 없지만, 모든 종류의 에너지 전달과 변환이 일어난다. 식물은 햇빛에서 에너지를 유기 분자에 저장된 화학 에너지로 변환하며, 그 중 많은 사람들이 나중에 먹습니다. 우리의 전기의 대부분을 생산하는 원자력 발전소는 뜨거운 방사성 막대에서 열 전달을 사용하여 전기를 생성하는 터빈에 전력을 공급하는 증기를 생산합니다. 냉장고는 전기를 사용하여 시스템에서 열을 끌어내어 작동합니다. 냉각수와 응축기로 채워진 증발기는 냉장고에서 작동하여 음의 열 전달을 효과냅니다.
열 전달은 뜨거운 납과 실온 물 사이의 폐쇄 된 시스템에서 관찰되었다. 특정 열 용량은 알려진 수량의 물과 납의 온도 변화를 측정하여 측정되었습니다. 스티로폼 컵 시스템이 주변에서 충분히 절연되지 않았다면, 시스템의 열이 손실되었을 것이고, 뜨거운 물/납은 방정식 3에서와같이 주변 환경에서 작업을 했을 것이다. 이 경우, 주변 공기가 쉽게 주변 의 열을 발산하기 때문에,이 실험실에서 수행 계산은 훨씬 더 어려웠을 것이다. 스티로폼 컵은 좋은 절연체 역할을 하기 때문에 주변 공기와 는 별개로 시스템이 고려되었습니다. 실험 중에 에너지가 생성되거나 파괴되지 않은 경우 열역학의 첫 번째 법칙이 관찰되었습니다. 폐쇄 된 시스템의 에너지가 보존되었습니다.
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