Overview
Source : Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Antonella Cooray, Ph.d., département de physique & astronomie, école de Sciences physique, University of California, Irvine, CA
Lorsqu’une casserole d’eau est placée sur un poêle chaud, chaleur est dite « couler » du poêle à l’eau. Lorsque deux ou plusieurs objets sont mis en contact thermique avec l’autre, chaleur coule spontanément les objets plus chaudes à celles plus froides, ou dans le sens qui tend à égaliser la température entre les objets. Par exemple, lorsque les glaçons sont mis dans une tasse d’eau à température ambiante, la chaleur de l’eau s’écoule vers les cubes de glace et ils commencent à fondre. Souvent, le terme « thermique » est utilisé de façon incohérente, habituellement référer simplement à la température de quelque chose. Dans le cadre de la thermodynamique, chaleur, comme le travail, est définie comme un transfert d’énergie. La chaleur est l’énergie transférée d’un objet à l’autre en raison d’une différence de température.
En outre, l’énergie totale d’un système thermodynamique isolé est constant-c'est-à-dire énergie peut être transférée vers et à partir de différents objets dans le système et peut être transformé en différents types d’énergie, mais l’énergie ne peut pas être créée ou détruite. Il s’agit de la première loi de la thermodynamique. Il est très similaire à la Loi de conservation de l’énergie discutée dans une autre vidéo, mais dans le contexte des processus thermodynamiques et de chaleur. Dans le cas des cubes de glace dans l’eau, si la première loi de la thermodynamique n’était pas valide, alors on pourrait s’attendre que l’ajout de glaçons dans une tasse isolée-température de la pièce d’eau causerait l’eau à ébullition, ce qui impliquerait la création d’énergie.
Principles
Il y a une distinction claire entre l’intérieur de l’énergie, la température et chaleur. L’énergie interne d’une substance se réfère à l’énergie totale de toutes les molécules de la substance. Sa température est une mesure de l’énergie cinétique moyenne des molécules individuelles. Considérons deux pièces de métal en équilibre thermique se reposer à côté de l’autre, la moitié de la taille de l’autre. Ils ont tous deux la même température, mais la plus petite pièce de métal a la moitié de l’énergie thermique que l’autre. Enfin, la chaleur, comme indiqué plus haut, est le transfert d’énergie de différents objets.
Si la chaleur s’écoule dans un objet, la température de l’objet augmente. Toutefois, le montant de l’augmentation de température dépend de la nature du matériau qui se jette dans la chaleur. La quantité de chaleur, Q, nécessaire pour modifier la température d’un matériau donné est proportionnelle à la masse m de la matière présente et à le Δ de changement de températureT. Cette relation simple est exprimée comme :
Q = mc ΔT, (l’équation 1)
où c est une qualité caractéristique du matériau appelée sa chaleur spécifique (ou parfois appelé capacité thermique massique). Réarrangeant l’équation 1 donne :
c = Q / (m ΔT). (Équation 2)
Par conséquent, les unités de chaleur spécifique est J. La chaleur spécifique peut être décrite comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 g d’une substance de 1 ° C. À pression atmosphérique normale, la chaleur spécifique de l’eau est connue pour être J/(g°C) 4.18. En d’autres termes, si 4,18 J d’énergie est fournie à 1 g d’eau, sa température augmenterait de 1 ° C. Toutefois, cela suppose que l’échantillon d’eau est suffisamment isolé de son environnement. Si ce n’est pas le cas, une partie de l’énergie étant transférée à l’eau pourrait être perdue à l’environnement qui entoure l’eau-l’air ambiant, par exemple. Ce genre de perte d’énergie, ou par virement, est dénommé le système de « faire le travail ». La première loi de la thermodynamique peut alors s’écrire :
ΔU = Q - W, (équation 3)
où U est l’énergie interne totale d’un système, Q est la chaleur ajoutée au système, et W est le travail accompli par le système.
Cet atelier mettra en vedette un « calorimètre tasse café, » qui est essentiellement une tasse de styromousse. Mousse de styrol suffisamment isole la substance intérieure provenant des environs de la coupe afin que le système ne va faire aucun travail et W = 0.
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Procedure
1. mesurer la capacité de chaleur spécifique de plomb et de démontrer la première loi de la thermodynamique.
- Obtenir une échelle, un échantillon de plomb, deux gobelets en polystyrène, un bécher de 300 mL (ou PLU), un élément chauffant, un thermomètre, un morceau de ficelle, de l’eau à température ambiante, une tige attachée aux côtés de pinces, une éprouvette graduée et les ciseaux.
- Couper une petite partie du haut de l’un des gobelets en polystyrène afin qu’il puisse agir comme un couvercle pour la coupe d’autre. Faire un petit trou dans le fond, assez grand pour le thermomètre passer à travers, mais pas plus grand que la circonférence du thermomètre.
- Mesurer 220 mL d’eau à l’aide de l’éprouvette graduée et le verser dans la tasse de polystyrène non modifiée. Alternativement, 220 g d’eau pouvant être pesée.
- Placez une tasse de mousse de styrol modifiée sur le dessus de la tasse d’eau afin qu’il agisse comme un couvercle ; Assurez-vous qu’il s’adapte parfaitement. Si ce n’est pas le cas, apportez les modifications appropriées.
- Mesurer la température de l’eau et les consigner dans le tableau 1. L’eau doit être à température ambiante.
- Remplissez le bécher avec assez d’eau pour que l’échantillon de plomb peut être complètement submergé. Placer l’échantillon dans le bécher avec l’eau et vérifiez qu’il existe suffisamment d’eau. Chauffer l’eau à ébullition à l’aide de l’élément chauffant.
- Fixer la chaîne à l’échantillon de plomb afin qu’il peut être suspendu dans l’eau bouillante. Placer l’échantillon dans l’eau, avec la chaîne accessible pour déplacer l’échantillon plus tard.
- Attendre au moins 5 min pour l’échantillon de venir à l’équilibre thermique avec l’eau bouillante. Lorsque l’échantillon de plomb est retiré de l’eau bouillante, elle va diminuer très rapidement en température. Mesurer la température de l’échantillon à l’extérieur de l’eau bouillante. Aller de l’avant de placer l’échantillon dans le calorimètre de tasse de café immédiatement après la prise de sa température. Il peut être bien inférieure à 100 ° C. Noter cette température dans le tableau 1.
- Agiter le système de coupe/plomb café autour pour assurer un mélange homogène. Regardez la température sur le thermomètre comme ça change. Une fois qu’il s’arrête changer, enregistrer cette température dans le tableau 1.
- En utilisant la température change de l’eau et l’échantillon de plomb et compte tenu de la chaleur spécifique de l’eau, calculer la tête spécifique de plomb à l’aide de l’équation 1.
L’enthalpie est un type d’énergie qui s’écoule entre les objets de différentes températures.
Afin de comprendre l’enthalpie, il faut être familier avec la première loi de la thermodynamique, qui stipule que l’énergie ne peut pas être créée ou détruite, il ne peut changer de formes. Et la quantité totale d’énergie dans un système est constante.
La notion d’enthalpie est évidente dans une casserole d’eau sur un poêle. Chaleur, dénoté par la lettre Q, découle spontanément la cuisinière chaude à l’eau plus fraîche. En réponse, la température de l’eau augmente. Cependant, puisqu’il s’agit d’un système ouvert, il y a un peu de chaleur perdue à l’environnement.
En revanche, un système peut être thermodynamiquement isolé, comme un thermos rempli d’eau chaude, où la chaleur n’est pas transféré entre le système et ses environs. Si vous déposez un morceau de métal froid dans ce système, la chaleur découle spontanément de l’eau chaude au métal cooler. Donc, si nous appliquons le premier principe de la thermodynamique à ce système isolé, on peut dire que la chaleur perdue par l’eau, ou Qout, est égale à la chaleur absorbée par le métal ou le Qin.
Dans cette vidéo, nous allons démontrer cette expérience de transfert de chaleur simple qui teste la première loi de la thermodynamique.
Avant de plonger dans le protocole, passons en revue quelques concepts importants associés à cette expérience. Comme nous avons discuté, chaleur, ou Q, est un type d’énergie qui est spontanément transféré d’une chaude à un objet froid.
Chaleur est souvent confondue avec la température, qui est la mesure de l’énergie cinétique moyenne de l’ensemble des molécules individuelles dans une substance. Par exemple, considérons un morceau de grand et petit d’en aluminium à chaud à l’équilibre thermique. Ils ont tous deux la même température, toutefois le petit morceau de métal a moins d’énergie thermique que l’autre parce qu’il a moins de molécules et moins de masse.
La relation entre la chaleur et la température est donnée par cette formule : Q = mCΔT. Par conséquent, la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température dépend de masse, m, ce qui est logique, que moins de chaleur est nécessaire pour augmenter la température de 1 gramme d’aluminium au lieu de 1 kg.
L’autre facteur C, soit la capacité calorifique, qui dépend du matériau. Par exemple, le bois a un pouvoir calorifique plus élevé que l’aluminium. Cela signifie que moins de chaleur est nécessaire pour augmenter la température de 1 kg d’aluminium de 1 kg de bois.
C est une constante qui est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’une unité de masse d’une substance d’un degré. Ces valeurs ont été calculées de manière empirique pour de nombreux matériaux communs, comme l’eau.
Dans la section suivante, nous allons voir comment calculer expérimentalement C pour le plomb à l’aide d’un calorimètre, qui prévoit un système thermodynamique isolé.
Tout d’abord, obtenir deux gobelets en polystyrène, qui agiront comme le calorimètre isotherme dans cette expérience. Couper une petite partie sur le dessus d’une tasse, afin qu’il puisse agir comme un couvercle pour l’autre. Percez un petit trou dans le couvercle afin que le thermomètre sera serré à travers
Verser 220 mL d’eau dans la tasse non modifiée, puis placez le couvercle sur le dessus. Mesurer la température de l’eau.
Ensuite, remplir un bécher avec assez d’eau pour qu’un échantillon de plomb peut être complètement submergé. Placer le bécher sur une plaque chauffante et porter l’eau à ébullition.
Peser un échantillon de plomb et noter la masse. Puis, attacher une chaîne et le suspendre à l’aide d’un support de bague. Immergez l’échantillon de plomb dans l’eau bouillante jusqu'à ce qu’elle soit complètement recouverte d’eau.
Attendre cinq minutes pour permettre à l’échantillon atteindre l’équilibre thermique avec l’eau bouillante. Retirer l’échantillon de l’eau bouillante et noter sa température initiale.
Rapidement placer l’échantillon chaud dans la tasse et placer le couvercle sur le dessus. Faites glisser le thermomètre à travers le trou dans le couvercle.
Agiter la tasse de café avec l’échantillon de plomb afin d’assurer une température uniforme. Regarder la température sur le thermomètre comme elle change et d’enregistrer la température finale stabilisée.
De la première loi de la thermodynamique, nous savons que, dans cette expérience, la pièce chaude de plomb transféré chaleur à l’eau froide. Si nous supposons que le calorimètre fournit un système thermodynamique isolé, puis la puissance calorifique du plomb équivaut à l’apport de chaleur à l’eau. À l’aide de la formule Q = mCΔT, nous obtenons l’équation suivante.
De l’expérience, nous savons la masse de la tête et l’eau et le changement de température, le plomb et l’eau. La capacité calorifique de l’eau est également connue. Ainsi, on peut calculer la capacité calorifique de plomb.
C’est en excellent accord avec la capacité connue de chaleur de plomb, 0,128. Ce résultat valide la première loi de la thermodynamique.
Transfert de chaleur et les principes de conservation de l’énergie s’applique à plusieurs manifestations quotidiennes, mais passent souvent inaperçus. Voici quelques exemples.
Une expérience simple à l’aide de l’eau et la glace montre la première loi de la thermodynamique et la chaleur de transfert par conduction thermique. Au départ, le verre d’eau est à température ambiante et est refroidi avec l’ajout de glace. Finalement, la glace fond, l’eau et la glace fondue atteint la même température, que la chaleur a été transférée de l’eau à la glace.
Cependant, parce que le système n’est pas isolé de l’environnement, finalement la pièce plus chaude transfère la chaleur à l’élévation de la température de l’eau.
Un autre exemple de transfert de chaleur est celle entre le soleil et la terre. Toutefois, dans ce cas par l’intermédiaire de rayonnement thermique, puisque le soleil est à une température beaucoup plus élevée que celle de la terre, la chaleur s’écoule du soleil à la terre. Cependant, pas toute la chaleur est transférée à la terre, certains étant perdues à d’autres organismes dans l’univers et aux alentours.
Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la chaleur et la première loi de la thermodynamique. Vous devez maintenant comprendre le concept de base de la chaleur et la conservation de l’énergie. Merci de regarder !
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Results
En utilisant les valeurs enregistrées dans le tableau 1, on peut calculer la chaleur spécifique du plomb. De la première loi de la thermodynamique, on sait que l’énergie n’est ni créé ni détruit dans un système isolé, mais peut transfert d’énergie entre les différents objets dans le système. Lorsque la pièce chaude du plomb est mis dans le calorimètre de tasse de café, chaleur sera fourni du plomb à l’eau, et que le transfert de chaleur est conservé; autrement dit, la puissance calorifique de la tête, Qdehors, équivaut à l’apport de chaleur de l’eau, Qen
Qout = Qà. (Équation 4)
Comme dans l' équation 3, l’énergie totale U est constante. À l’aide de l’équation 1, équation 4 peut s’écrire de façon équivalente comme :
mconduire cconduire ΔTplomb = meau ceau ΔTeau. (Équation 5)
Avec la chaleur spécifique de l’eau, connu pour être J/(g°C) 4.18 et les informations du tableau 1, ch.plomb peuvent être résolus pour :
cconduire = (m-ceau eau ΔT,eau) / (Δtmplomb conduire) (équation 6)
= (220 g · 4,18 J / (g Co) · 1,2 ° C) / (43,4 Co · g 201)
= 0,127 J/(g°C).
La valeur acceptée pour la chaleur spécifique du plomb est 0,128, de sorte que les résultats présentés ici sont en excellent accord, avec seulement une différence de 1,5 %.
Le tableau 1. Résultats expérimentaux.
| Tj’ai (° C) | Tf (° C) | m (g) | |
| Eau | 18.5 | 19,7 | 220 |
| Plomb | 63.1 | 19,7 | 201 |
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Applications and Summary
La première loi de la thermodynamique s’applique à l’ensemble de l’énergie de l’univers-pas peut être créée ou détruite dans tout l’univers, mais toutes sortes de transferts d’énergie et les transformations ont lieu. Les plantes convertissent l’énergie des rayons du soleil en énergie chimique stockée dans des molécules organiques, que dont beaucoup nous mangeons par la suite. Centrales nucléaires qui produisent une grande partie de notre électricité utilisent transfert de chaleur de hot rods radioactifs pour produire de la vapeur, qui alimente les turbines qui produisent de l’électricité. Réfrigérateurs fonctionnent en utilisant l’électricité pour chauffer de tirer hors du système. Un évaporateur rempli de liquide de refroidissement et un condenseur ne fonctionnent sur le réfrigérateur d’effectuer un transfert de chaleur négatif.
Transfert de chaleur a été observée dans un système fermé entre une pièce d’eau chaude de plomb et de la température ambiante. La capacité de chaleur spécifique a été mesurée en mesurant les variations de température dans des quantités connues de l’eau et le plomb. Si le système de coupe de mousse de styrol n’était pas suffisamment isolé de son environnement, chaleur du système serait ont été perdu-en d’autres termes, l’eau chaude/plomb aurait fait travailler sur les environs, comme dans l’équation 3. Si c’était le cas, les calculs effectués dans ce laboratoire auraient été beaucoup plus difficiles à faire, étant donné que l’air environnant aisément dissipe la chaleur de son environnement. Gobelets en polystyrène agit comme un bon isolant, le système a été considéré comme indépendant de l’air ambiant. La première loi de la thermodynamique a été observée, comme aucune énergie a été créée ou détruite au cours de l’expérience ; l’énergie du système fermé a été conservée.
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