Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

Overview

מקור: קטרון מיטשל-ווין, PhD, אסנטה קוריי, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, בית הספר למדעי הפיזיקה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה

כאשר סיר מים מונח על תנור חם, נאמר כי החום "זורם" מהתנור למים. כאשר שני עצמים או יותר ממוקמים במגע תרמי זה עם זה, החום זורם באופן ספונטני מהאובייקטים החמים יותר לאובייקטים הקרים יותר, או לכיוון שנוטה להשוות את הטמפרטורה בין האובייקטים. לדוגמה, כאשר קוביות קרח לשים בכוס מים בטמפרטורת החדר, חום מהמים זורם לקוביות הקרח והם מתחילים להמיס. לעתים קרובות, המונח "חום" משמש באופן לא עקבי, בדרך כלל פשוט להתייחס לטמפרטורה של משהו. בהקשר של תרמודינמיקה, חום, כמו עבודה, מוגדר כהעברת אנרגיה. חום הוא אנרגיה המועברת מאובייקט אחד למשנהו בגלל הבדל בטמפרטורה.

יתר על כן, האנרגיה הכוללת של כל מערכת תרמודינמית מבודדת היא קבועה - כלומר, ניתן להעביר אנרגיה אל ומאובייקטים שונים בתוך המערכת וניתן להפוך אותה לסוגים שונים של אנרגיה, אך לא ניתן ליצור או להשמיד אנרגיה. זהו החוק הראשון של התרמודינמיקה. זה דומה מאוד לשימור חוק האנרגיה שנדון בסרטון אחר, אבל בהקשר של חום ותהליכים תרמודינמיים. במקרה של קוביות קרח במים, אם החוק הראשון של התרמודינמיקה לא היה תקף, אז אפשר היה לצפות שהוספת קוביות קרח לכוס מים מבודדת בטמפרטורת החדר תגרום למים לרתוח, מה שמרמז על יצירת אנרגיה.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

יש הבחנה ברורה בין אנרגיה פנימית, טמפרטורה וחום. האנרגיה הפנימית של חומר מתייחסת לאנרגיה הכוללת של כל המולקולות בחומר. הטמפרטורה שלו היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של כל המולקולות הבודדות. שקול שתי חתיכות של מתכת חמה בשיווי משקל תרמי נח אחד ליד השני, אחד מחצית הגודל של השני. לשניהם יש את אותה טמפרטורה, אבל לחתיכת המתכת הקטנה יותר יש חצי מהאנרגיה התרמית מהשנייה. לבסוף, חום, כפי שנדון לעיל, הוא העברת אנרגיה מחפצים שונים.

אם החום זורם לתוך עצם, הטמפרטורה של האובייקט עולה. עם זאת, כמות עליית הטמפרטורה תלויה בסוג החומר שהחום זורם לתוכו. כמות החום, Q, הנדרשת כדי לשנות את הטמפרטורה של כל חומר נתון היא פרופורציונלית למסה m של החומר הנוכחי ולשינוי הטמפרטורה ΔT. מערכת יחסים פשוטה זו באה לידי ביטוי כ:

Q = mc ΔT, (משוואה 1)

כאשר c היא איכות אופיינית של החומר הנקרא חום ספציפי שלה (או לפעמים נקרא קיבולת חום ספציפית). סידור מחדש של משוואה 1 נותן:

c = Q / (m ΔT). (משוואה 2)

לפיכך, יחידות החום הספציפיות הוא J. החום הספציפי יכול להיות מתואר כמות החום הנדרש כדי להעלות 1 גרם של חומר על ידי 1 °C (70 °F). בלחץ אטמוספרי סטנדרטי, החום הספציפי של מים ידוע להיות 4.18 J / (g °C). במילים אחרות, אם 4.18 J של אנרגיה מסופק 1 גרם של מים, הטמפרטורה שלה תעלה על ידי 1 °C (50 °F). עם זאת, בהנחה היא כי מדגם המים מבודד מספיק מסביבתו. אם לא, חלק מהאנרגיה המועברת למים עלולה ללכת לאיבוד לסביבה המקיפה את המים - האוויר שמסביב, למשל. סוג זה של אובדן אנרגיה, או העברה, מכונה המערכת "עושה עבודה". לאחר מכן ניתן לכתוב את החוק הראשון של התרמודינמיקה כ:

ΔU = Q - W, (משוואה 3)

כאשר U הוא האנרגיה הפנימית הכוללת של מערכת, Q הוא החום שנוסף למערכת, ו- W הוא העבודה שנעשתה על ידי המערכת.

מעבדה זו תכלול קלורימטר קפה, שהוא בעצם קלקר. קלקר מבודד מספיק את החומר הפנימי מסביבת הכוס, כך שהמערכת לא תעשה עבודה ו- W = 0.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. למדוד את יכולת החום הספציפית של עופרת ולהדגים את החוק הראשון של התרמודינמיקה.

  1. להשיג קנה מידה, מדגם עופרת, שתי כוסות קלקר, 300 מל (או גדולה יותר), גוף חימום, מדחום, חתיכת חוט, מים בטמפרטורת החדר, מוט המחובר לעמוד עם מלחציים, גליל מדורג ומספריים.
  2. חותכים חלק קטן מהחלק העליון של אחת מכוסות הקלקר, כך שהוא יכול לשמש כמכסה לכוס השנייה. הפוך חור קטן בתחתית, גדול מספיק עבור המדחום כדי להתאים דרך, אבל לא גדול יותר מאשר היקף המדחום.
  3. מודדים 220 מל של מים באמצעות הגליל המדורג ויוצקים אותו לתוך הקלקר שלא שופץ. לחלופין, ניתן לשקול 220 גרם מים.
  4. מניחים את הקלקר המותאמת על גבי המים, כך שהיא פועלת כמכסה; ודא שזה מתאים בצורה נוחה. אם לא, לבצע את השינויים המתאימים.
  5. למדוד את טמפרטורת המים ולרשום אותו בטבלה 1. המים צריכים להיות בטמפרטורת החדר.
  6. מלא את הכיס עם מספיק מים, כך מדגם עופרת יכול להיות שקוע לחלוטין. מניחים את הדגימה במשכה עם המים ומוודאים שיש מספיק מים. מחממים את המים לרתיחה באמצעות גוף החימום.
  7. חבר את המחרוזת לדגימת העופרת כך שניתן יהיה להשעות אותה למים הרותחים. מקם את המדגם במים, כאשר המחרוזת נגישה להעברת המדגם מאוחר יותר.
  8. המתן לפחות 5 דקות עד שהדגימה תגיע לשיווי משקל תרמי עם המים הרותחים. כאשר דגימת העופרת מוסרת מהמים הרותחים, היא תרד בטמפרטורה במהירות רבה. למדוד את הטמפרטורה של המדגם מחוץ למים הרותחים. המשך למקם את המדגם לתוך קלורימטר קפה מיד לאחר שים את הטמפרטורה שלה. זה יכול להיות הרבה מתחת 100 °C (50 °F). רשם טמפרטורה זו בטבלה 1.
  9. מערבבים את מערכת הקפה / העופרת כדי להבטיח תערובת אחידה. צפה בטמפרטורה על המדחום כפי שהוא משתנה. ברגע שהוא מפסיק להשתנות, רשם את הטמפרטורה בטבלה 1.
  10. באמצעות שינויי הטמפרטורה של המים ושל מדגם העופרת, ובהתחשב בחום המים הספציפי, חשב את ראש העופרת הספציפי באמצעות משוואה 1.

אנטלפיה היא סוג של אנרגיה הזורמת בין עצמים בטמפרטורות שונות.

כדי להבין אנטלפיה, יש להכיר את החוק הראשון של התרמודינמיקה, הקובע כי האנרגיה לא יכולה להיווצר או להרוס, היא יכולה רק לשנות צורות. וכמות האנרגיה הכוללת במערכת היא קבועה.

הרעיון של אנטלפיה ניכר בסיר מים על תנור. חום, המציין באות Q, זורם באופן ספונטני מהתנור החם למים קרירים יותר. בתגובה, טמפרטורת המים עולה. עם זאת, מאז זוהי מערכת פתוחה, יש קצת חום לאיבוד לסביבה.

מצד שני, מערכת יכולה להיות מבודדת תרמודינמית, כמו תרמוס מלא במים חמים, שבו החום אינו מועבר בין המערכת וסביבתה. אם אתה זורק חתיכה של מתכת קרה לתוך מערכת זו, החום זורם באופן ספונטני מן המים החמים למתכת קרירה יותר. אז, אם נחיל את החוק הראשון של התרמודינמיקה על המערכת המבודדת הזו, נוכל לומר שהחום שאבד על ידי המים, או קווט, שווה לחום שנספג על ידי המתכת, או קין.

בסרטון זה, אנו מדגימים את ניסוי העברת החום הפשוט הזה שבודק את החוק הראשון של התרמודינמיקה.

לפני להתעמק בפרוטוקול, בואו נסקור כמה מושגים חשובים הקשורים לניסוי זה. כפי שדיברנו, חום, או Q, הוא סוג של אנרגיה המועברת באופן ספונטני מחפץ חם לאובייקט קר.

חום מבולבל לעתים קרובות עם טמפרטורה, שהיא המידה של האנרגיה הקינטית הממוצעת של כל המולקולות הבודדות בחומר. לדוגמה, שקול חתיכה גדולה וקטנה של אלומיניום חם בשיווי משקל תרמי. לשניהם יש את אותה טמפרטורה, אולם לחתיכת המתכת הקטנה יותר יש פחות אנרגיה תרמית מהשנייה מכיוון שיש לה פחות מולקולות ופחות מסה.

הקשר בין חום לטמפרטורה ניתן על ידי נוסחה זו: Q = mCΔT. לכן, כמות החום הנדרש כדי להעלות את הטמפרטורה תלויה במסה, m, וזה הגיוני, כמו פחות חום נדרש להעלות את הטמפרטורה של 1 גרם של אלומיניום לעומת 1 ק"ג.

הגורם השני הוא C, או קיבולת החום, אשר תלוי בחומר. לדוגמה, עץ יש קיבולת חום גבוהה יותר מאשר אלומיניום. משמעות הדבר היא כי פחות חום נדרש כדי להגדיל את הטמפרטורה של 1 ק"ג של אלומיניום מאשר 1 ק"ג של עץ.

C הוא קבוע המוגדר ככמות החום הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של מסת יחידה של חומר במעלה אחת. ערכים אלה חושבו אמפירית עבור חומרים נפוצים רבים, כמו מים.

בסעיף הבא, נראה כיצד לחשב באופן ניסיוני C עבור עופרת באמצעות קלורימטר, המספק מערכת מבודדת תרמודינמית.

ראשית, להשיג שתי כוסות קלקר, אשר ישמש קלורימטר מבודד בניסוי זה. חותכים חלק קטן מהחלק העליון של אחת, כך שהוא יכול לשמש כמכסה עבור השני. ניקוב חור קטן במכסה כך המדחום יתאים דרך בחוזקה

יוצקים 220 מ"ל של מים לתוך הכוס שלא שופצה, ולאחר מכן מניחים את המכסה על גבי. למדוד את טמפרטורת המים.

לאחר מכן, מלאו כוב במספיק מים כדי שניתן יהיה לשקוע באופן מלא בדגימת עופרת. מניחים את הכוס על צלחת חמה, ומביאים את המים לרתיחה.

שקול דגימת עופרת, והקלט את המסה. לאחר מכן, חבר מחרוזת והשהה אותה באמצעות מעמד טבעת. שקועים בדגימת העופרת במים הרותחים עד שהוא מכוסה לחלוטין במים.

המתן חמש דקות כדי לאפשר לדגימה להגיע לשיווי משקל תרמי עם המים הרותחים. הסר את המדגם מן המים הרותחים, ולתעד את הטמפרטורה הראשונית שלה.

מניחים במהירות את הדגימה החמה לתוך הכוס, ומניחים את המכסה על גבי. להחליק את המדחום בחזרה דרך החור במכסה.

מערבבים את הקפה עם דגימת העופרת כדי להבטיח טמפרטורה אחידה. צפה בטמפרטורה על המדחום כפי שהוא משתנה, ולרשום את הטמפרטורה המיוצבת הסופית.

מהחוק הראשון של התרמודינמיקה, אנו יודעים כי בניסוי זה, פיסת עופרת חמה העבירה חום למים הקרים יותר. אם נניח שהקלורימטר מספק מערכת מבודדת תרמודינמית, אז תפוקת החום מהעופרת שווה לקלט החום למים. באמצעות הנוסחה Q = mCΔT, אנו מקבלים את המשוואה הבאה.

מהניסוי, אנו יודעים את המסה של העופרת והמים, ואת שינוי הטמפרטורה של העופרת והמים. קיבולת החום של מים ידועה גם. לכן, ניתן לחשב את קיבולת החום של עופרת.

זה בהסכמה מצוינת עם קיבולת החום הידועה של עופרת, 0.128. תוצאה זו מאמתת את החוק הראשון של התרמודינמיקה.

העברת חום ושימור עקרונות האנרגיה חלים על מספר אירועים יומיומיים, אך לעתים קרובות נעלמים מעיניו. הנה כמה דוגמאות.

ניסוי פשוט באמצעות מים וקרח מדגים את החוק הראשון של תרמודינמיקה והעברת חום על ידי הולכה תרמית. בתחילה, המים בטמפרטורת החדר והיא מקוררת בתוספת קרח. בסופו של דבר, הקרח נמס והמים והקרח המומס מגיעים לאותה טמפרטורה, כאשר החום הועבר מהמים לקרח.

עם זאת, מכיוון שהמערכת אינה מבודדת מהסביבה, בסופו של דבר החדר החם מעביר חום למים שמעלה את הטמפרטורה.

דוגמה נוספת להעברת חום היא זו שבין השמש לכדור הארץ. עם זאת, זה קורה באמצעות קרינה תרמית, שכן השמש בטמפרטורה גבוהה בהרבה מכדור הארץ, החום זורם מהשמש לכדור הארץ. עם זאת, לא כל החום מועבר לכדור הארץ, שכן חלקם הולכים לאיבוד לגופים אחרים ביקום ובסביבה.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לחום ולחוק התרמודינמיקה הראשון. עכשיו אתה צריך להבין את הרעיון הבסיסי של חום ושימור של אנרגיה. תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

באמצעות הערכים שנרשמו בטבלה 1, ניתן לחשב את חום ההפניה הספציפי. מהחוק הראשון של התרמודינמיקה, ידוע כי אנרגיה אינה נוצרת או נהרסת במערכת מבודדת, אך אנרגיה יכולה לעבור בין עצמים שונים בתוך המערכת. כאשר חתיכת עופרת חמה מוכנסת לכוס הקפה calorimeter, החום יסופק מן העופרת למים, וכי העברת חום נשמרת; כלומר, תפוקת החום של העופרת, Qout, שווה את קלט החום של המים, Qב

Qout = Qב. (משוואה 4)

כמו במשוואה 3, האנרגיה הכוללת U היא קבועה. באמצעות משוואה 1, ניתן לכתוב את משוואה 4 באופן שווה כ:

עופרת c עופרת ΔT =מים cמים ΔTמים. (משוואה 5)

עם חום המים הספציפי הידוע כ- 4.18 J /(g°C) והמידע מטבלה 1, ניתן לפתור אתההפניהcעבור:

cעופרת = (מים cמים ΔTמים) / (mעופרת Δtעופרת) (משוואה 6)

= (220 גר' · 4.18 J/(g Co) · 1.2 °C) / (43.4מעלות צלזיוס · 201 גרם)

= 0.127 J / (g °C).

הערך המקובל עבור החום הספציפי של עופרת הוא 0.128, כך שהתוצאות כאן הן בהסכמה מצוינת, עם הבדל של 1.5% בלבד.

טבלה 1. תוצאות ניסוי.

Ti (°C) Tf(°C) m (ז)
מים 18.5 19.7 220
עופרת 63.1 19.7 201

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

החוק הראשון של התרמודינמיקה חל על היקום כולו - לא ניתן ליצור או להשמיד אנרגיה ברחבי היקום, אך כל מיני העברות אנרגיה ושינויים אכן מתרחשים. צמחים ממירים אנרגיה מאור השמש לאנרגיה הכימית המאוחסנת במולקולות אורגניות, שרבות מהן אנו אוכלים לאחר מכן. תחנות כוח גרעיניות המייצרות חלק גדול מהחשמל שלנו משתמשות בהעברת חום ממוטות רדיואקטיביים חמים כדי לייצר קיטור, מה שמפעיל טורבינות המייצרות חשמל. מקררים פועלים באמצעות חשמל כדי למשוך חום מהמערכת. מאייד מלא נוזל קירור ומחזק לבצע עבודה על המקרר כדי לבצע העברת חום שלילית.

העברת חום נצפתה במערכת סגורה בין חתיכת עופרת חמה למים בטמפרטורת החדר. קיבולת החום הספציפית נמדדה על ידי מדידת שינויי טמפרטורה בכמויות ידועות של מים ו עופרת. אם מערכת כוסות הקלקר לא הייתה מבודדת מספיק מסביבתה, החום מהמערכת היה הולך לאיבוד במילים אחרות, המים החמים / עופרת היו עושים עבודה על הסביבה, כמו במשוואה 3. אם זה היה המקרה, החישובים שבוצעו במעבדה זו היה הרבה יותר קשה לעשות, שכן האוויר שמסביב בקלות מפורק חום לסביבתו. מכיוון שכוסות קלקר משמשות כמבודדות טובות, המערכת נחשבה לעצמאות מהאוויר שמסביב. החוק הראשון של התרמודינמיקה נצפה, שכן לא נוצרה או הושמדה אנרגיה במהלך הניסוי; האנרגיה של המערכת הסגורה נשמרה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter