THERMAL BALANSE: EQUATION, APLIKASYON, EHERSISYO - PISIKAL - 2025

Ang thermal equilibrium ng dalawang katawan na nasa thermal contact ay ang estado na naabot pagkatapos ng isang mahabang sapat na oras para sa mga temperatura ng parehong mga katawan upang magkatugma.

Sa thermodynamics, ang thermal contact ng dalawang katawan (o dalawang mga thermodynamic system) ay nauunawaan bilang isang sitwasyon kung saan ang mga katawan ay may mekanikal na pakikipag-ugnay o nahihiwalay ngunit sa pakikipag-ugnay sa isang ibabaw na nagbibigay daan lamang sa pagpasa ng init mula sa isang katawan patungo sa iba (diathermic na ibabaw ).

Larawan 1. Matapos ang ilang sandali ang yelo at inumin ay maaabot ang kanilang thermal equilibrium. Pinagmulan: pixabay

Sa thermal contact hindi dapat magkaroon ng reaksyon ng kemikal sa pagitan ng mga system na nakikipag-ugnay. Dapat lang ay palitan ng init.

Araw-araw na mga sitwasyon kung saan mayroong heat exchange ay nangyayari sa mga sistema tulad ng malamig na inumin at baso, ang mainit na kape at kutsarita, o ang katawan at thermometer, bukod sa maraming iba pang mga halimbawa.

Kapag ang dalawa o higit pang mga sistema ay nasa thermal equilibrium?

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang init ay palaging napupunta mula sa katawan na may pinakamataas na temperatura sa katawan na may pinakamababang temperatura. Ang pag-transfer ng init ay huminto sa sandaling maihambing ang temperatura at naabot ang estado ng thermal equilibrium.

Ang praktikal na aplikasyon ng balanse ng thermal ay ang thermometer. Ang isang thermometer ay isang aparato na sumusukat sa sarili nitong temperatura, ngunit salamat sa thermal balanse alam natin ang temperatura ng iba pang mga katawan, tulad ng sa isang tao o hayop.

Ang termury ng haligi ng mercury ay inilalagay sa thermal contact sa katawan, halimbawa sa ilalim ng dila, at sapat na oras ang hinihintay para sa thermal equilibrium sa pagitan ng katawan at thermometer na maabot at ang pagbasa nito ay hindi na magkakaiba pa.

Kapag naabot ang puntong ito, ang temperatura ng thermometer ay pareho sa katawan ng katawan.

Ang zero batas ng thermodynamics ay nagsasabi na kung ang isang katawan A ay nasa thermal equilibrium na may isang katawan C at ang parehong katawan C ay nasa thermal equilibrium na may B, kung gayon ang A at B ay nasa thermal equilibrium kahit na walang thermal contact sa pagitan ng A at B .

Samakatuwid, nagtatapos kami na dalawa o higit pang mga sistema ay nasa thermal equilibrium kapag mayroon silang parehong temperatura.

Thermal equilibrium equation

Ipinapalagay namin ang isang katawan A na may paunang temperatura Ta sa thermal contact sa ibang katawan B na may paunang temperatura Tb. Inaasahan din namin na ang Ta> Tb, pagkatapos ay ayon sa pangalawang batas ang init ay inilipat mula A hanggang B.

Makalipas ang ilang sandali, maaabot ang thermal equilibrium at ang parehong mga katawan ay magkakaroon ng parehong pangwakas na temperatura Tf. Magkakaroon ito ng isang intermediate na halaga sa Ta at Tb, iyon ay, Ta> Tf> Tb.

Ang halaga ng init Qa na inilipat mula A hanggang B ay Qa = Ma Ca (Tf - Ta), kung saan ang Ma ay ang masa ng katawan A, Ca ang kapasidad ng init sa bawat yunit ng masa ng A at (Tf - Ta) ang pagkakaiba sa temperatura . Kung ang Tf ay mas mababa sa Ta pagkatapos ay ang Qa ay negatibo, na nagpapahiwatig na ang katawan A ay nagbibigay ng init.

Katulad din para sa katawan B mayroon kaming Qb = Mb Cb (Tf - Tb); at kung ang Tf ay mas malaki kaysa sa Tb at ang Qb ay positibo, na nagpapahiwatig na ang katawan B ay tumatanggap ng init. Tulad ng katawan A at katawan B ay nasa thermal contact sa bawat isa, ngunit nakahiwalay mula sa kapaligiran, ang kabuuang halaga ng init na ipinapalit ay dapat na zero: Qa + Qb = 0

Pagkatapos Ma Ca (Tf - Ta) + Mb Cb (Tf - Tb) = 0

Temperatura ng balanse

Ang pagbuo ng expression na ito at paglutas para sa temperatura Tf, nakuha ang pangwakas na temperatura ng thermal equilibrium.

Larawan 2. Pangwakas na temperatura ng balanse. Pinagmulan: ginawa ng sarili

Tf = (Ma Ca Ta + Mb Cb Tb) / (Ma Ca + Mb Cb).

Bilang isang partikular na kaso, isaalang-alang ang kaso na ang mga katawan A at B ay magkapareho sa kapasidad ng masa at init, sa kasong ito ang temperatura ng balanse ay:

Tf = (Ta + Tb) / 2 ↔ kung Ma = Mb at Ca = Cb.

Thermal contact na may pagbabago sa phase

Sa ilang mga sitwasyon nangyayari na kapag ang dalawang katawan ay nakalagay sa thermal contact, ang palitan ng init ay nagiging sanhi ng pagbabago ng estado o yugto sa isa sa kanila. Kung nangyari ito, dapat itong isaalang-alang na sa pagbabago ng phase walang pagbabago sa temperatura sa katawan na binabago ang estado nito.

Kung ang pagbabago ng phase ng alinman sa mga katawan sa thermal contact ay nangyayari, ang konsepto ng latent heat L ay inilalapat, na kung saan ang enerhiya sa bawat yunit ng masa na kinakailangan para sa pagbabago ng estado:

Q = L ∙ M

Halimbawa, upang matunaw ang 1 kg ng yelo sa 0 ° C, 333.5 kJ / kg ay kinakailangan at ang halagang ito ay ang likas na init L ng pagsasanib ng yelo.

Sa panahon ng pagtunaw, nagbabago ito mula sa solidong tubig hanggang sa likidong tubig, ngunit ang tubig na nagpapanatili ng parehong temperatura tulad ng yelo sa panahon ng proseso ng pagtunaw.

Aplikasyon

Ang balanse ng thermal ay bahagi ng pang-araw-araw na buhay. Halimbawa, suriin natin nang detalyado ang sitwasyong ito:

-Ehersisyo 1

Nais ng isang tao na maligo sa mainit na tubig sa 25 ° C. Sa isang balde, ilagay ang 3 litro ng malamig na tubig sa 15 ° C at sa kusina ng init ng tubig hanggang sa 95 ° C.

Ilang litro ng mainit na tubig ang dapat niyang idagdag sa balde ng malamig na tubig upang magkaroon ng ninanais na pangwakas na temperatura?

Solusyon

Ipagpalagay na ang A ay malamig na tubig at ang B ay mainit na tubig:

Larawan 3. Solusyon upang mag-ehersisyo 3. Pinagmulan: sariling pagpapaliwanag.

Iminumungkahi namin ang equation ng thermal equilibrium, tulad ng ipinahiwatig sa blackboard sa figure 3 at mula doon ay nalutas namin para sa masa ng tubig Mb.

Makakakuha tayo ng paunang dami ng malamig na tubig dahil kilala ang density ng tubig, na kung saan ay 1Kg para sa bawat litro. Iyon ay, mayroon kaming 3 kg ng malamig na tubig.

Ma = 3kg

Kaya

Mb = - 3 kg * (25 ° C - 15 ° C) / (25 ° C - 95 ° C) = 0.43 kg

Pagkatapos ay 0.43 litro ng mainit na tubig ay sapat upang makuha sa wakas ang 3.43 litro ng mainit na tubig sa 25 ° C.

Malutas na ehersisyo

-Exercise 2

Ang isang piraso ng metal na may timbang na 150 g at may temperatura na 95 ° C ay ipinakilala sa isang lalagyan na naglalaman ng kalahating litro ng tubig sa temperatura na 18 ° C. Makalipas ang ilang sandali ay naabot ang thermal equilibrium at ang temperatura ng tubig at ang metal ay 25 ° C.

Ipagpalagay na ang lalagyan na may tubig at ang piraso ng metal ay isang saradong termos na hindi pinapayagan ang palitan ng init sa kapaligiran.

Kunin ang tukoy na init ng metal.

Solusyon

Una ay kalkulahin natin ang init na hinihigop ng tubig:

Qa = Ma Ca (Tf - Ta)

Qa = 500g 1cal / (g ° C) (25 ° C - 18 ° C) = 3500 calories.

Iyon ang parehong init na ibinigay ng metal:

Qm = 150g Cm (25 ° C - 95 ° C) = -3500 calories.

Kaya maaari naming makuha ang kapasidad ng init ng metal:

Cm = 3500 cal / (150g 70 ° C) = ⅓ cal / (g ° C).

Mag-ehersisyo 3

Mayroon kang 250 cc ng tubig sa 30 ° C. Sa tubig na iyon na nasa isang insulating thermos, 25g ng mga cube ng yelo ay idinagdag sa 0 ° C, na may layunin na palamig ito.

Alamin ang temperatura ng balanse; iyon ay, ang temperatura na mananatili sa sandaling natunaw ang lahat ng yelo at ang tubig ng yelo ay pinainit hanggang sa pantay na ng tubig sa baso sa una.

Solusyon 3

Ang ehersisyo na ito ay maaaring malutas sa tatlong yugto:

1. Ang una ay ang pagkatunaw ng yelo na sumisipsip ng init mula sa paunang tubig upang matunaw at maging tubig.
2. Pagkatapos ang pagbagsak ng temperatura sa paunang tubig ay kinakalkula, dahil nagbigay ng init (Qced <0) upang matunaw ang yelo.
3. Sa wakas, ang tinunaw na tubig (nagmula sa yelo) ay dapat na balanse sa thermally sa tubig na umpisa nang una.

Larawan 4. Solusyon upang mag-ehersisyo 3. Pinagmulan: sariling pagpapaliwanag.

Kalkulahin natin ang init na kinakailangan para sa natutunaw na yelo:

Qf = L * Mh = 333.5 kJ / kg * 0.025kg = 8.338 kJ

Pagkatapos, ang init na ibinigay ng tubig upang matunaw ang yelo ay Qced = -Qf

Ang init na ibinibigay ng tubig ay nagpapababa ng temperatura sa isang halaga na T 'na maaari nating kalkulahin tulad ng sumusunod:

T '= T0 - Qf / (Ma * Ca) = 22.02 ° C

Kung saan ang Ca ay ang kapasidad ng init ng tubig: 4.18 kJ / (kg ° C).

Sa wakas ang orihinal na masa ng tubig na ngayon ay 22.02 ° C ay magbibigay ng init sa masa ng tinunaw na tubig mula sa yelo na nasa 0 ° C.

Sa wakas, ang temperatura ng balanse ay maabot pagkatapos ng sapat na oras:

Te = (Ma * T '+ Mh * 0 ° C) / (Ma + Mh) = (0.25kg * 22.02 ° C + 0.025kg * 0 ° C) / (0.25kg + 0.025kg).

Sa wakas makuha ang temperatura ng balanse:

Te = 20.02 ° C

-Exercise 4

Ang isang 0.5 kg na tipak ng tingga ay lumabas sa hurno sa temperatura na 150 ° C, na nasa ibaba ito ng pagkatunaw. Ang piraso na ito ay inilalagay sa isang lalagyan na may 3 litro ng tubig sa temperatura ng silid na 20 ° C. Alamin ang panghuling temperatura ng balanse.

Kalkulahin din:

- Halaga ng init na naihatid sa pamamagitan ng tingga sa tubig.

- Halaga ng init na hinihigop ng tubig.

Data:

Tukoy na init ng tingga: Cp = 0.03 cal / (g ° C); Tukoy na init ng tubig: Ca = 1 cal / (g ° C).

Solusyon

Una naming tinutukoy ang panghuling temperatura ng balanse

Te = (Ma Ca Ta + Mp Cp Tp) / (Ma Ca + Mp Cp)

Te = 20.65 ° C

Pagkatapos ang dami ng init na pinakawalan ng tingga ay:

Qp = Mp Cp (Te - Tp) = -1.94 x 10³ cal.

Ang dami ng init na hinihigop ng tubig ay:

Qa = Ma Ca (Te - Ta) = + 1.94x 10³ cal.

Mga Sanggunian

1. Atkins, P. 1999. Physical Chemistry. Mga edisyon ng Omega.
2. Bauer, W. 2011. Physics para sa Teknolohiya at Siyensya. Dami 1. Mc Graw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Pisika: Mga Prinsipyo na may Aplikasyon. Ika-6 .. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konsepto na Pang-agham na Pang-agham. Ika-5. Ed. Pearson.
5. Resnick, R. (1999). Pisikal. Tomo 1. Ika-3 Ed. Sa Espanyol. Compañía Editorial Continental SA de CV
6. Rex, A. 2011. Mga Batayan ng Pisika. Pearson.
7. Mga Luha, Zemansky. 2016. Unibersidad sa Unibersidad na may Makabagong Pisika. Ika-14. Ed. Tomo 1.
8. Serway, R., Jewett, J. (2008). Physics para sa Science at Engineering. Dami 1. ika-7. Ed Cengage Learning.