Tutorial despre căldură, muncă și energie - elemente esențiale ca căldură specifică

Energie termică)

Unitatea SI de căldură - sau energie - este joule (J).

energie

Cu diferență de temperatură

  • căldura se va transfera dintr-un corp cald cu temperatură mai mare într-un corp mai rece cu temperatură mai mică

Alte unități utilizate pentru a cuantifica căldura sunt British Thermal Unit - Btu (cantitatea de căldură de ridicat 1 lb de apă de 1 o F.) si Calorii (cantitatea de căldură de ridicat 1 gram de apă de 1 o C (sau 1 K).

A calorii este definit ca cantitatea de căldură necesară pentru schimbarea temperaturii un gram de apă lichidă de un grad Celsius (sau un grad Kelvin).

1 cal = 4,184 J

1 J = 1 Ws

= (1 Ws) (1/3600 h/s)

= 2,78 10 -4 Wh

= 2,78 10 -7 kWh

Debit de căldură (putere)

Transferul de căldură ca rezultat al diferenței de temperatură singur este denumit flux de caldura. Unitățile SI pentru fluxul de căldură sunt J/s sau watt (W) - la fel ca puterea. Un watt este definit ca 1 J/s.

Entalpia specifică

Entalpia specifică este o măsură a energiei totale din o unitate de masă. Unitatea SI utilizată în mod obișnuit este J/kg sau kJ/kg.

Termenul se referă la energia totală datorată atât presiunii, cât și temperaturii unui fluid (cum ar fi apa sau aburul) în orice moment și stare date. Mai exact entalpia este suma energiei interne și a muncii efectuate prin presiunea aplicată.

Capacitate de căldură

Capacitatea termică a unui sistem este

    cantitatea de căldură necesară pentru schimbarea temperaturii întregulsistem de un grad.

Căldura specifică

Căldura specifică (= capacitatea specifică de căldură) este cantitatea de căldură necesară pentru schimbarea temperaturii unitate de masă a unei substanțe de un grad.

Căldura specifică poate fi măsurată în J/g K, J/kg K, kJ/kg K, cal/gK sau Btu/lb o F și altele.

Nu folosiți niciodată valori tabelate ale capacității de căldură fără a verifica unitățile valorilor reale!

Căldura specifică pentru produsele și materialele obișnuite se găsește în secțiunea Proprietăți material.

Căldură specifică - presiune constantă

Entalpia - sau energia internă - a unei substanțe este o funcție a temperaturii și a presiunii sale.

Schimbarea energiei interne în raport cu schimbarea temperaturii la presiune fixă ​​este căldura specifică la presiune constantă - cp.

Căldură specifică - volum constant

Modificarea energiei interne în ceea ce privește modificarea temperaturii la volum fix este căldura specifică la volum constant - cv.

Cu excepția cazului în care presiunea este extrem de mare, munca realizată prin presiunea aplicată asupra solidelor și lichidelor poate fi neglijată, iar entalpia poate fi reprezentată doar de componenta energetică internă. Se poate spune că încălzirile cu volum constant și presiune constantă sunt egale.

Pentru solide și lichide

Căldura specifică reprezintă cantitatea de energie necesară pentru a crește 1 kg de substanță la 1 o C (sau 1 K), și poate fi gândit ca abilitatea de a absorbi căldura. Unitățile SI ale căldurilor specifice sunt J/kgK (kJ/kg o C). Apa are o căldură specifică mare de 4,19 kJ/kg o C în comparație cu multe alte fluide și materiale.

    Apa este un bun purtător de căldură !

Cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii

Cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un subiect de la un nivel de temperatură la altul poate fi exprimată ca:

Q = cp m dT (2)

Unde

Î = cantitatea de căldură (kJ)

cp = căldură specifică (kJ/kgK)

m = masa (kg)

dT = diferența de temperatură între partea caldă și cea rece (K)

Exemplu de încălzire a apei

Luați în considerare energia necesară încălzirii 1,0 kg de apă din 0 o C la 100 o C când căldura specifică a apei este 4.19 kJ/kg o C:

Î = (4,19 kJ/kg o C) (1,0 kg) ((100 o C) - (0 o C))

= 419 (kJ)

Munca și energia sunt din punct de vedere tehnic aceeași entitate - dar munca este rezultatul atunci când o forță direcțională (vector) deplasează un obiect în aceeași direcție.

Cantitatea de muncă mecanică realizată poate fi determinată de o ecuație derivată din mecanica newtoniană

Munca = Forța aplicată x Distanța deplasată în direcția forței

sau

W = F l (3)

Unde

W = lucru (Nm, J)

F = forța aplicată (N)

l = lungimea sau distanța deplasată (m)

Munca poate fi descrisă și ca produsul presiunii aplicate și al volumului deplasat:

Muncă = Presiune aplicată x Volum deplasat

sau

W = p A l (3b)

Unde

p = presiunea aplicată (N/m 2, Pa)

A = suprafață presurizată (m 2)

l = lungime sau distanță zona presurizată este mișcată de forța aplicată (m)

Exemplu - Munca realizată de o Forță

Munca făcută de o forță 100 N mișcarea unui corp 50 m poate fi calculat ca

W = (100 N) (50 m)

= 5000 (Nm, J)

Unitatea de lucru este joule, J, care este definit ca cantitatea de muncă efectuată atunci când o forță de 1 newton acționează pe o distanță de 1 m în direcția forței.

Exemplu - Munca datorată Forței Gravitaționale

Lucrarea efectuată la ridicarea unei mase de 100 kg o înălțime de 10 m poate fi calculată ca

= (100 kg) (9,81 m/s 2) (10 m)

= 9810 (Nm, J)

Fg = forța de greutate - sau greutatea (N)

g = accelerația gravitației 9.81 (m/s 2)

h = cota (m)

În unitățile imperiale, o unitate de lucru se face atunci când o greutate de 1 lbf (lira-forță) este ridicată vertical împotriva gravitației pe o distanță de 1 picior. Unitatea se numește lb ft.

Un obiect cu masă de 10 melci este ridicat la 10 picioare. Munca realizată poate fi calculată ca

= m g h

= (10 melci) (32,17405 ft/s 2) (10 picioare)

Exemplu - Lucrați din cauza schimbării de viteză

Munca efectuată atunci când o masă de 100 kg este accelerată de la o viteză de 10 m/s la o viteză de 20 m/s poate fi calculată ca

= (20 m/s) 2 - (10 m/s) 2) (100 kg)/2

= 15000 (Nm, J)

v2 = viteza finală (m/s)

v1 = viteza inițială (m/s)

Energie

Energia este capacitatea de a lucra (o traducere din greacă - „a lucra în interior”). Unitatea SI pentru muncă și energie este joul, definit ca 1 Nm.

Obiectele în mișcare pot funcționa, deoarece au energie cinetică. ("cinetic" înseamnă "mișcare" în greacă).

Cantitatea de energie cinetică deținută de un obiect poate fi calculată ca

Ek = 1/2 m în 2 (4)

Unde

m = masa obiectului (kg)

v = viteza (m/s)

Energia unei poziții de nivel (energie stocată) se numește energie potențială. Aceasta este energie asociată cu forțele de atracție și respingere între obiecte (gravitație).

Energia totală a unui sistem este compusă din energia internă, potențială și cinetică. Temperatura unei substanțe este direct legată de energia sa internă. Energia internă este asociată cu mișcarea, interacțiunea și legătura moleculelor din interiorul unei substanțe. Energia externă a unei substanțe este asociată cu viteza și locația acesteia și este suma energiei sale potențiale și cinetice.