En física, el concepte de "calor" s'associa amb la transferència d'energia tèrmica entre diferents cossos. A causa d'aquests processos, es produeix l'escalfament i el refredament dels cossos, així com un canvi en els seus estats d'agregació. Considerem amb més detall la qüestió de què és la calor.
Concepte conceptual
Què és la calor? Cada persona pot respondre aquesta pregunta des d'un punt de vista quotidià, és a dir, sota el concepte considerat, les sensacions que té quan augmenta la temperatura ambient. En física, aquest fenomen s'entén com el procés de transferència d'energia associat a un canvi en la intensitat del moviment caòtic de les molècules i els àtoms que formen el cos.
En general, podem dir que com més alta sigui la temperatura corporal, més energia interna s'emmagatzema i més calor pot donar a altres objectes.
Calor i temperatura
Coneixent la resposta a la pregunta de què és la calor, molts poden pensar que aquest concepte és semblant al concepte de "temperatura", però no ho és. La calor és energia cinètica, la temperatura n'és una mesuraenergia. Així doncs, el procés de transferència de calor depèn de la massa de la substància, del nombre de partícules que la formen, així com del tipus d'aquestes partícules i de la velocitat mitjana del seu moviment. Al seu torn, la temperatura només depèn de l'últim dels paràmetres enumerats.
La diferència entre calor i temperatura és fàcil d'entendre si feu un experiment senzill: heu d'abocar aigua en dos recipients de manera que un recipient estigui ple i l' altre només a la meitat. Posant tots dos recipients al foc, es pot observar que primer comença a bullir el en què hi ha menys aigua. Perquè el segon recipient bulli, necessitarà una mica més de calor del foc. Quan els dos recipients estan bullint, podeu mesurar la seva temperatura, serà la mateixa (100 oC), però calia més calor perquè un recipient ple hi bullís aigua.
Unitats de calor
Segons la definició de calor de la física, es pot endevinar que es mesura en les mateixes unitats que l'energia o el treball, és a dir, en joules (J). A més de la unitat principal de calor, a la vida quotidiana sovint es pot sentir parlar de calories (kcal). Aquest concepte s'entén com la quantitat de calor que cal transferir a un gram d'aigua perquè la seva temperatura augmenti 1 kelvin (K). Una caloria és igual a 4,184 J. També pots sentir parlar de calories grans i petites, que són 1 kcal i 1 cal, respectivament.
El concepte de capacitat calorífica
Coneixent què és la calor, considerem una magnitud física que la caracteritza directament: la capacitat calorífica. Sota aquest concepte,la física significa la quantitat de calor que s'ha de donar o treure d'un cos perquè la seva temperatura canviï 1 kelvin (K).
La capacitat calorífica d'un cos determinat depèn de 2 factors principals:
- sobre la composició química i l'estat d'agregació en què es presenta el cos;
- de la seva missa.
Per fer que aquesta característica sigui independent de la massa d'un objecte, en la física de la calor es va introduir una altra quantitat: la capacitat calorífica específica, que determina la quantitat de calor transferida o absorbida per un determinat cos per 1 kg de la seva massa quan la temperatura canvia 1 K.
Per mostrar clarament la diferència de capacitats tèrmiques específiques per a diferents substàncies, per exemple, agafeu 1 g d'aigua, 1 g de ferro i 1 g d'oli de gira-sol i escalfeu-los. La temperatura canviarà més ràpidament per a la mostra de ferro, després per a la gota d'oli i durarà per a l'aigua.
Tingueu en compte que la capacitat calorífica específica depèn no només de la composició química de la substància, sinó també del seu estat d'agregació, així com de les condicions físiques externes en què es considera (pressió constant o volum constant)..
L'equació principal del procés de transferència de calor
Un cop tractat la qüestió de què és la calor, s'ha de donar l'expressió matemàtica principal que caracteritza el procés de la seva transferència per a absolutament qualsevol cossos en qualsevol estat d'agregació. Aquesta expressió té la forma: Q=cmΔT, on Q és la quantitat de calor transferida (rebuda), c és la calor específica de l'objecte en qüestió, m -la seva massa, ΔT és el canvi de temperatura absoluta, que es defineix com la diferència de temperatures corporals al final i al començament del procés de transferència de calor.
És important entendre que la fórmula anterior sempre serà vàlida quan, durant el procés considerat, l'objecte mantingui el seu estat d'agregació, és a dir, es mantingui líquid, sòlid o gasós. En cas contrari, l'equació no es pot utilitzar.
Canvi en l'estat d'agregació de la matèria
Com sabeu, hi ha 3 estats agregats principals en què la matèria pot ser:
- gas;
- líquid;
- cos sòlid.
Per tal que es produeixi una transició d'un estat a un altre, és necessari que el cos li informi o li tregui calor. Per a aquests processos en física, es van introduir els conceptes de calors específiques de fusió (cristal·lització) i ebullició (condensació). Totes aquestes quantitats determinen la quantitat de calor necessària per canviar l'estat d'agregació, que allibera o absorbeix 1 kg de pes corporal. Per a aquests processos, l'equació és vàlida: Q=Lm, on L és la calor específica de la transició corresponent entre els estats de la matèria.
A continuació es mostren les principals característiques dels processos de canvi de l'estat d'agregació:
- Aquests processos tenen lloc a una temperatura constant, com ara l'ebullició o la fusió.
- Són reversibles. Per exemple, la quantitat de calor que absorbeix un cos determinat per fondre's serà exactament igual a la quantitat de calor que s'alliberarà a l'ambient si aquest cos torna a passar.a estat sòlid.
Equilibri tèrmic
Aquest és un altre tema important relacionat amb el concepte de "calor" que cal tenir en compte. Si es posen en contacte dos cossos amb temperatures diferents, després d'un temps la temperatura de tot el sistema s'uniformirà i es tornarà igual. Per aconseguir l'equilibri tèrmic, un cos amb una temperatura més alta ha de cedir calor al sistema, i un cos amb una temperatura més baixa ha d'acceptar aquesta calor. Les lleis de la física de la calor que descriuen aquest procés es poden expressar com una combinació de l'equació principal de transferència de calor i l'equació que determina el canvi en l'estat agregat de la matèria (si n'hi ha).
Un exemple sorprenent del procés d'establiment espontani de l'equilibri tèrmic és una barra de ferro roent que es llença a l'aigua. En aquest cas, la planxa calenta emetrà calor a l'aigua fins que la seva temperatura sigui igual a la del líquid.
Mètodes bàsics de transferència de calor
Tots els processos coneguts per l'home que van amb l'intercanvi d'energia tèrmica es produeixen de tres maneres diferents:
- Conductivitat tèrmica. Perquè l'intercanvi de calor es produeixi d'aquesta manera, és necessari el contacte entre dos cossos amb temperatures diferents. A la zona de contacte a nivell molecular local, l'energia cinètica es transfereix d'un cos calent a un de fred. La velocitat d'aquesta transferència de calor depèn de la capacitat dels cossos implicats per conduir la calor. Un exemple sorprenent de conductivitat tèrmica éshumà tocant una vareta metàl·lica.
- Convecció. Aquest procés requereix el moviment de la matèria, per la qual cosa només s'observa en líquids i gasos. L'essència de la convecció és la següent: quan s'escalfen les capes de gas o líquid, la seva densitat disminueix, de manera que tendeixen a pujar. Durant el seu augment del volum de líquid o gas, transfereixen calor. Un exemple de convecció és el procés de bullir aigua en una tetera.
- Radiació. Aquest procés de transferència de calor es produeix a causa de l'emissió de radiació electromagnètica de diverses freqüències per part d'un cos escalfat. La llum solar és un bon exemple de radiació.
