Overview
Fonte: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Scuola di Scienze Fisiche, Università della California, Irvine, CA
Quando una pentola d'acqua viene posta su una stufa calda, si dice che il calore "fluisca" dalla stufa all'acqua. Quando due o più oggetti sono posti in contatto termico tra loro, il calore scorre spontaneamente dagli oggetti più caldi a quelli più freddi, o nella direzione che tende a equalizzare la temperatura tra gli oggetti. Ad esempio, quando i cubetti di ghiaccio vengono messi in una tazza di acqua a temperatura ambiente, il calore dall'acqua scorre ai cubetti di ghiaccio e iniziano a sciogliersi. Spesso, il termine "calore" è usato in modo incoerente, di solito per riferirsi semplicemente alla temperatura di qualcosa. Nel contesto della termodinamica, il calore, come il lavoro, è definito come un trasferimento di energia. Il calore è energia trasferita da un oggetto all'altro a causa di una differenza di temperatura.
Inoltre, l'energia totale di qualsiasi sistema termodinamico isolato è costante, cioè l'energia può essere trasferita da e verso diversi oggetti all'interno del sistema e può essere trasformata in diversi tipi di energia, ma l'energia non può essere creata o distrutta. Questa è la prima legge della termodinamica. È molto simile alla legge di conservazione dell'energia discussa in un altro video, ma nel contesto del calore e dei processi termodinamici. Nel caso dei cubetti di ghiaccio in acqua, se la prima legge della termodinamica non fosse valida, allora ci si potrebbe aspettare che l'aggiunta di cubetti di ghiaccio a una tazza d'acqua isolata a temperatura ambiente farebbe bollire l'acqua, il che implicherebbe la creazione di energia.
Principles
C'è una chiara distinzione tra energia interna, temperatura e calore. L'energia interna di una sostanza si riferisce all'energia totale di tutte le molecole nella sostanza. La sua temperatura è una misura dell'energia cinetica media di tutte le singole molecole. Consideriamo due pezzi di metallo caldo in equilibrio termico che riposano uno accanto all'altro, uno della metà delle dimensioni dell'altro. Entrambi hanno la stessa temperatura, ma il pezzo di metallo più piccolo ha la metà dell'energia termica rispetto all'altro. Infine, il calore, come discusso sopra, è il trasferimento di energia da diversi oggetti.
Se il calore fluisce in un oggetto, la temperatura dell'oggetto aumenta. Tuttavia, la quantità dell'aumento della temperatura dipende dal tipo di materiale in cui scorre il calore. La quantità di calore, Q, necessaria per modificare la temperatura di un dato materiale è proporzionale alla massa m del materiale presente e alla variazione di temperatura ΔT. Questa semplice relazione è espressa come:
Q = mc ΔT, (Equazione 1)
dove c è una qualità caratteristica del materiale chiamata il suo calore specifico (o talvolta chiamata capacità termica specifica). Riorganizzando l'equazione 1 si ottiene:
c = Q / (m ΔT). (Equazione 2)
Quindi, le unità di calore specifico sono J. Il calore specifico può essere descritto come la quantità di calore necessaria per aumentare 1 g di una sostanza di 1 °C. A pressione atmosferica standard, il calore specifico dell'acqua è noto per essere 4,18 J / (g ° C). In altre parole, se 4,18 J di energia vengono forniti a 1 g di acqua, la sua temperatura aumenterebbe di 1 °C. Tuttavia, questo presuppone che il campione di acqua sia sufficientemente isolato dall'ambiente circostante. In caso contrario, parte dell'energia trasferita all'acqua potrebbe essere persa nell'ambiente circostante l'acqua, ad esempio l'aria circostante. Questo tipo di perdita di energia, o trasferimento, è indicato come il sistema "fare lavoro". La prima legge della termodinamica può quindi essere scritta come:
ΔU = Q - W, (Equazione 3)
dove U è l'energia interna totale di un sistema, Q è il calore aggiunto al sistema e W è il lavoro svolto dal sistema.
Questo laboratorio sarà dotato di un "calorimetro a tazza di caffè", che è essenzialmente una tazza di polistirolo. Il polistirolo isola sufficientemente la sostanza interna dall'ambiente circostante la tazza in modo che il sistema non funzioni e W = 0.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. Misurare la capacità termica specifica del piombo e dimostrare la prima legge della termodinamica.
- Ottenere una bilancia, un campione di piombo, due tazze di polistirolo, un becher da 300 ml (o più grande), un elemento riscaldante, un termometro, un pezzo di corda, acqua a temperatura ambiente, un'asta attaccata per stare con morsetti, un cilindro graduato e forbici.
- Tagliare una piccola porzione dalla parte superiore di una delle tazze di polistirolo in modo che possa fungere da coperchio per l'altra tazza. Fai un piccolo foro nella parte inferiore, abbastanza grande da consentire al termometro di passare, ma non più grande della circonferenza del termometro.
- Misurare 220 ml di acqua utilizzando il cilindro graduato e versarlo nella tazza di polistirolo non modificato. In alternativa, è possibile pesare 220 g di acqua.
- Posizionare la tazza di polistirolo modificata sopra la tazza d'acqua in modo che funga da coperchio; assicurati che si adatti perfettamente. In caso contrario, apportare le modifiche appropriate.
- Misurare la temperatura dell'acqua e registrarla nella Tabella 1. L'acqua dovrebbe essere a temperatura ambiente.
- Riempire il becher con acqua sufficiente in modo che il campione di piombo possa essere completamente sommerso. Posizionare il campione nel becher con l'acqua e verificare che ci sia abbastanza acqua. Riscaldare l'acqua a ebollizione usando l'elemento riscaldante.
- Attaccare la corda al campione di piombo in modo che possa essere sospesa nell'acqua bollente. Posizionare il campione nell'acqua, con la stringa accessibile per spostare il campione in un secondo momento.
- Attendere almeno 5 minuti affinché il campione arrivi all'equilibrio termico con l'acqua bollente. Quando il campione di piombo viene rimosso dall'acqua bollente, diminuirà di temperatura molto rapidamente. Misurare la temperatura del campione al di fuori dell'acqua bollente. Procedere a posizionare il campione nel calorimetro della tazza di caffè immediatamente dopo aver preso la sua temperatura. Potrebbe essere ben al di sotto dei 100 °C. Registrare questa temperatura nella Tabella 1.
- Ruotare il sistema tazza di caffè / piombo per garantire una miscela uniforme. Guarda la temperatura sul termometro mentre cambia. Una volta che smette di cambiare, registra quella temperatura nella Tabella 1.
- Utilizzando le variazioni di temperatura sia dell'acqua che del campione di piombo e dato il calore specifico dell'acqua, calcolare la testa specifica di piombo usando l'equazione 1.
L'entalpia è un tipo di energia che scorre tra oggetti di diverse temperature.
Per comprendere l'entalpia, si deve avere familiarità con la prima legge della termodinamica, che afferma che l'energia non può essere creata o distrutta, può solo cambiare forma. E la quantità totale di energia in un sistema è costante.
Il concetto di entalpia è evidente in una pentola d'acqua su una stufa. Il calore, indicato dalla lettera Q, scorre spontaneamente dalla stufa calda all'acqua più fredda. In risposta, la temperatura dell'acqua aumenta. Tuttavia, poiché si tratta di un sistema aperto, c'è un po 'di calore perso nell'ambiente circostante.
D'altra parte, un sistema può essere isolato termodinamicamente, come un thermos riempito con acqua calda, dove il calore non viene trasferito tra il sistema e l'ambiente circostante. Se si lascia cadere un pezzo di un metallo freddo in questo sistema, il calore scorre spontaneamente dall'acqua calda al metallo più freddo. Quindi, se applichiamo la prima legge della termodinamica a questo sistema isolato, possiamo dire che il calore perso dall'acqua, o Qout, è uguale al calore assorbito dal metallo, o Qin.
In questo video, dimostreremo questo semplice esperimento di trasferimento di calore che testa la prima legge della termodinamica.
Prima di approfondire il protocollo, esaminiamo alcuni concetti importanti relativi a questo esperimento. Come abbiamo discusso, il calore, o Q, è un tipo di energia che viene trasferita spontaneamente da un oggetto caldo a un oggetto freddo.
Il calore viene spesso confuso con la temperatura, che è la misura dell'energia cinetica media di tutte le singole molecole in una sostanza. Ad esempio, si consideri un pezzo grande e piccolo di alluminio caldo all'equilibrio termico. Entrambi hanno la stessa temperatura, tuttavia il pezzo di metallo più piccolo ha meno energia termica dell'altro perché ha meno molecole e meno massa.
La relazione tra calore e temperatura è data da questa formula: Q = mCΔT. Pertanto, la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura dipende dalla massa, m, il che ha senso, poiché è necessario meno calore per aumentare la temperatura di 1 grammo di alluminio rispetto a 1 kg.
L'altro fattore è C, o la capacità termica, che dipende dal materiale. Ad esempio, il legno ha una capacità termica superiore rispetto all'alluminio. Ciò significa che è necessario meno calore per aumentare la temperatura di 1 kg di alluminio rispetto a 1 kg di legno.
C è una costante definita come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una massa unitaria di una sostanza di un grado. Questi valori sono stati calcolati empiricamente per molti materiali comuni, come l'acqua.
Nella prossima sezione, vedremo come calcolare sperimentalmente C per il piombo usando un calorimetro, che fornisce un sistema termodinamicamente isolato.
In primo luogo, ottenere due tazze di polistirolo, che fungeranno da calorimetro isolato in questo esperimento. Tagliare una piccola porzione dalla parte superiore di una tazza, in modo che possa fungere da coperchio per l'altra. Praticare un piccolo foro nel coperchio in modo che il termometro si adatti saldamente
Versare 220 ml di acqua nella tazza non modificata, quindi posizionare il coperchio sopra. Misurare la temperatura dell'acqua.
Quindi, riempire un becher con abbastanza acqua in modo che un campione di piombo possa essere completamente sommerso. Metti il becher su una piastra calda e porta l'acqua a ebollizione.
Pesare un campione di piombo e registrare la massa. Quindi, attaccare una corda e sospenderla usando un supporto ad anello. Immergere il campione di piombo nell'acqua bollente fino a quando non è completamente coperto d'acqua.
Attendere cinque minuti per consentire al campione di raggiungere l'equilibrio termico con l'acqua bollente. Rimuovere il campione dall'acqua bollente e registrare la sua temperatura iniziale.
Posizionare rapidamente il campione caldo nella tazza e posizionare il coperchio sopra. Far scorrere il termometro indietro attraverso il foro nel coperchio.
Ruotare la tazza di caffè con il campione di piombo per garantire una temperatura uniforme. Guarda la temperatura sul termometro mentre cambia e registra la temperatura finale stabilizzata.
Dalla prima legge della termodinamica, sappiamo che in questo esperimento, il pezzo caldo di piombo ha trasferito calore all'acqua più fredda. Se assumiamo che il calorimetro fornisca un sistema termodinamicamente isolato, allora la produzione di calore dal piombo è uguale all'apporto di calore all'acqua. Usando la formula Q = mCΔT, otteniamo la seguente equazione.
Dall'esperimento, conosciamo la massa del piombo e dell'acqua e il cambiamento di temperatura del piombo e dell'acqua. Anche la capacità termica dell'acqua è nota. Pertanto, è possibile calcolare la capacità termica del piombo.
Questo è in ottimo accordo con la nota capacità termica del piombo, 0,128. Questo risultato convalida la prima legge della termodinamica.
Il trasferimento di calore e la conservazione dei principi energetici si applicano a diversi eventi quotidiani, ma spesso passano inosservati. Ecco alcuni esempi.
Un semplice esperimento con acqua e ghiaccio dimostra la prima legge della termodinamica e del trasferimento di calore per conduzione termica. Inizialmente, il bicchiere d'acqua è a temperatura ambiente e viene raffreddato con l'aggiunta di ghiaccio. Alla fine, il ghiaccio si scioglie e l'acqua e il ghiaccio sciolto raggiungono la stessa temperatura, poiché il calore è stato trasferito dall'acqua al ghiaccio.
Tuttavia, poiché il sistema non è isolato dall'ambiente circostante, alla fine la stanza più calda trasferisce calore all'acqua aumentando la temperatura.
Un altro esempio di trasferimento di calore è quello tra il sole e la Terra. Tuttavia, questo avviene tramite la radiazione termica, poiché il sole è a una temperatura molto più alta della Terra, il calore scorre dal sole alla Terra. Tuttavia, non tutto il calore viene trasferito alla Terra, poiché parte viene perso in altri corpi nell'universo e nei dintorni.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE al calore e la prima legge della termodinamica. Ora dovresti capire il concetto di base del calore e della conservazione dell'energia. Grazie per l'attenzione!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
Utilizzando i valori registrati nella Tabella 1,è possibile calcolare il calore specifico del piombo. Dalla prima legge della termodinamica, è noto che l'energia non viene né creata né distrutta in un sistema isolato, ma l'energia può trasferirsi tra diversi oggetti all'interno del sistema. Quando il pezzo caldo di piombo viene messo nel calorimetro della tazza di caffè, il calore verrà fornito dal piombo all'acqua e il trasferimento di calore viene conservato; cioè, la potenza termica del piombo, Qout, è uguale all'apporto di calore dell'acqua, Qin
Qout = Qin. (Equazione 4)
Come nell'equazione 3, l'energia totale U è costante. Usando l'equazione 1, l'equazione 4 può essere scritta in modo equivalente come:
mpiombo cpiombo ΔTpiombo = macqua cacqua ΔTacqua. (Equazione 5)
Con il calore specifico dell'acqua noto per essere 4,18 J/(g°C) e le informazioni della Tabella 1,il piombocpuò essere risolto per:
cpiombo = (macqua cacqua ΔTacqua) / (mpiombo Δtpiombo) (Equazione 6)
= (220 g · 4,18 J/(g Co) · 1,2 °C) / (43,4 Co · 201 g)
= 0,127 J/(g°C).
Il valore accettato per il calore specifico del piombo è 0,128, quindi i risultati qui sono in ottimo accordo, con solo una differenza dell'1,5%.
Tabella 1. Risultati sperimentali.
| Ti (°C) | Tf(°C) | m (g) | |
| Acqua | 18.5 | 19.7 | 220 |
| Piombo | 63.1 | 19.7 | 201 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
La prima legge della termodinamica si applica all'intero universo: nessuna energia può essere creata o distrutta in tutto l'universo, ma tutti i tipi di trasferimenti e trasformazioni di energia hanno luogo. Le piante convertono l'energia della luce solare nell'energia chimica immagazzinata nelle molecole organiche, molte delle quali successivamente mangiamo. Le centrali nucleari che producono gran parte della nostra elettricità utilizzano il trasferimento di calore da barre radioattive calde per produrre vapore, che alimenta le turbine che generano elettricità. I frigoriferi funzionano utilizzando l'elettricità per estrarre il calore dal sistema. Un evaporatore riempito con refrigerante e un condensatore eseguono lavori sul frigorifero per effettuare un trasferimento di calore negativo.
Il trasferimento di calore è stato osservato in un sistema chiuso tra un pezzo di piombo caldo e acqua a temperatura ambiente. La capacità termica specifica è stata misurata misurando le variazioni di temperatura in quantità note di acqua e piombo. Se il sistema a tazza di polistirolo non fosse stato sufficientemente isolato dall'ambiente circostante, il calore del sistema sarebbe stato perso, in altre parole, l'acqua calda / piombo avrebbe funzionato sull'ambiente circostante, come nell'equazione 3. Se questo fosse il caso, i calcoli eseguiti in questo laboratorio sarebbero stati molto più difficili da fare, poiché l'aria circostante dissipa facilmente il calore nell'ambiente circostante. Poiché le tazze di polistirolo fungono da buon isolante, il sistema è stato considerato indipendente dall'aria circostante. Fu osservata la prima legge della termodinamica, poiché nessuna energia fu creata o distrutta durante l'esperimento; l'energia del sistema chiuso è stata conservata.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
