L'equilibrio termico

La termodinamica è la branca della fisica che tratta del rapporto tra il calore e le altre proprietà (come la temperatura pressione densità) in una sostanza. Nei primi anni del 1800, l'uso di motori a vapore ha portato allo studio estensivo di calore e infine la scoperta di termodinamica. La base per la maggior parte delle considerazioni di termodinamica sono le diverse leggi della termodinamica. Queste leggi sostengono che l'energia può essere trasferita da un sistema all'altro solo nella forma di calore o di lavoro. Durante lo studio iniziale della termodinamica scienziati hanno scoperto che l'energia termica ottenuta dalla combustione del carbone in macchina a vapore non può essere completamente convertito in lavoro meccanico. Di conseguenza, hanno iniziato studiando l'energia contenuta in un sistema. Sono arrivati ​​con un termine chiamato 'entropia' che potrebbe essere quantificato se il sistema (un liquido, gas o solido costituito da particelle, i cui movimenti di determinare il suo stato) è stato in equilibrio termodinamico.

Equilibrio termodinamico di un sistema è detto essere raggiunta quando il sistema è in non solo in equilibrio termico, ma anche in meccanica, chimica nonché equilibrio radioattivo. Applicazioni della termodinamica descrive come i sistemi di rispondere ai vari cambiamenti nel loro ambiente. Questo può essere applicato a una vasta gamma di argomenti nel campo della scienza e dell'ingegneria, come motori, reazioni chimiche, transizioni di fase e buchi neri, anche. Dopo aver una lezione nell'introduzione della termodinamica, diamo uno sguardo più da vicino i fatti di equilibrio termico nei sistemi termodinamici.

Qual è l'equilibrio termico?

Quando due sostanze aventi temperature diverse vengono introdotte o tenuti insieme, l'energia termica fluisce da una sostanza a temperatura più alta ad una sostanza a temperatura più bassa. Inoltre, il calore continua ad essere trasferiti fino ad avere le temperature sono equiparati. Quando questa fase si ottiene le sostanze sarebbero in equilibrio termico. Quindi, possiamo generalizzare che 'l'energia il calore fluisce sempre da un corpo caldo a un corpo più freddo fino ad avere le temperature sono equiparati'. O, per dirla diversamente - 'A corpo freddo non si riscalda da sola, per aumentare la sua temperatura, l'energia termica esterna deve essere fornito ad essa'.

Si può anche dire, 'la temperatura di una sostanza determina la direzione del flusso di calore tra le sostanze, quando vengono introdotti insieme'. Quindi, l'equilibrio termico si verifica quando cambiamenti osservabili macroscopico o in un sistema cessa di cambiare con il passare del tempo. Equilibrio termico di un sistema non significa uniformità completa o la stabilità all'interno di un sistema. Ad esempio, un sistema di fiume può essere in equilibrio termico quando la temperatura macroscopico o esternamente misurabile è stabile e non cambia nel tempo, anche se la distribuzione della temperatura circostante o spaziale riflette degrado della qualità dell'acqua portando a variazioni di temperatura. Un altro esempio è quando il termometro è posto in contatto con il corpo del paziente, se la temperatura corporea del paziente e quella del mercurio nel termometro clinico hanno raggiunto l'equilibrio termico, quindi la temperatura del termometro è uguale alla temperatura corporea, quindi la lettura del termometro mostra la temperatura corporea del paziente. Ulteriore illustrazione di questo punto si osserva quando il cibo viene messo in frigorifero, il calore dal cibo viene trasferito in aria del frigorifero. Il processo di refrigerazione continua finché è raggiunto l'equilibrio termico e la temperatura del cibo è uguale alla temperatura dell'aria nel frigorifero. Spero che tu abbia un'idea più giusta di equilibrio termico dalla spiegazione di cui sopra. Passiamo ora verso il suo calcolo, riprendendo uno dei problemi di equilibrio termico. Utilizzando la formula equilibrio termico di dedurre le variazioni di temperatura darà un'idea migliore sulle sue applicazioni pratiche.

Calcolo di equilibrio termico

Quando un oggetto caldo e freddo sono collocati insieme, arriveranno alla fine l'equilibrio termico. Questa temperatura finale risultante sarà a metà strada tra le due temperature iniziali. Questo è evidente come l'oggetto più freddo si riscalda mentre l'oggetto più caldo si raffredderà. Un esempio classico di questo è equilibrio termico di acqua pieno di ghiaccio, in cui il 'sistema' è la stanza calda, vetro, acqua e ghiaccio. La temperatura del ghiaccio aumenterà diminuendo la temperatura dell'acqua. Così, evidentemente la quantità di calore ceduto dal oggetto più caldo sarà data l'oggetto più freddo.

Qhot a Qcold (legge di conservazione dell'energia)

Può sembrare che Qlost = Qgained, ma questo non è completamente corretto.

(Oppure utilizzare la legge di conservazione dell'energia: AE = 0 (sistema chiuso), quindi si può dedurre

la formula equilibrio termico

Q = m x cp x AT

dove Q = flusso di calore (calore perso o guadagnato di calore)

m = massa della sostanza

cp = capacità termica specifica

AT = (Tf - Ti) = Differenza di temperatura

Problema numerica 1

A 12 pezzo grammo di alluminio (cp = 0,215 cal / GOC) è a 70 ° C. Esso è collocato in un becher contenente 35 grammi di acqua 15 ° C. Scopri a quale temperatura vengono a equilibrio termico?

(In altre parole: "Trovare la temperatura finale della miscela".)

Qobject1 = - Qobject2 (negativo su entrambi i lati)

Qaluminum = - Qwater (rende l'equazione specifica per questo problema)

mA x cpa ΔTA x =-mwcpwΔTw

mAcpA (Tf - TIA) =-mwcpw (Tf-Tiw) (mettendo nell'equazione per AT)

(12 g) (0,215) (Tf - 70 °) = - 35 (1) (Tf - 15oC) (messa in cpwateris 1 cal / GOC)

(2,58) (Tf - 70) = - 35 (Tf - 15) (caduto unità per rendere più facile l'algebra)

2.58 Tf - 180.6 = - 35Tf 525 (proprietà distributiva della moltiplicazione, assicurarsi che il 525 è positivo ora [- tempi - = +])

37.58Tf = 705,6 (come la combinazione di termini)

Tf = 18.8oC (unità di nuovo messo alla fine)

Qui possiamo vedere che la 18.8oC differenza tra le temperature iniziali con i due oggetti 'di 70 ° C e 15oC. L'oggetto freddo riscaldato e l'oggetto più caldo raffreddato.

Problema numerica 2

Una sfera di alluminio (cp = 0,897 J / gC) ha una massa di 100 grammi ed è inizialmente ad una temperatura di 150C. Questo pallone è rapidamente inserito in un bicchiere isolato contenente 100 ml di acqua a una temperatura di 15.0C. Quale sarà la finale, temperatura di equilibrio della palla e l'acqua?

Calore perso dal calore in alluminio = acquisita dall'acqua.

'T' = temperatura finale.

Al: 100 g x x 0.897J/g/C (150 - T) AT.

= 13455 - 89.7T

H2O: 100 g x x 4.18J/g/C (T - 15) AT.

= 418T - 6270.

13.455 - 89.7T = 418T - 6270.

13455 + 6270 = 418T + 89.7T.

19.725 = 507.7T

T = 19725 / 507,7 = 38.85C temperatura finale. (39C)

Qui la temperatura finale ottenuta dopo aver inserito un sfera di alluminio in acqua è 39C. Poiché la sfera di alluminio caldo raffreddato aumentando la temperatura dell'acqua.

Questi esempi pratici ci ha dato uno sguardo sul calcolo di equilibrio termico. Spero che non era troppo difficile da capire, anche se questo argomento della termodinamica è vasto e completo. Le sue applicazioni ei risultati sono importanti nei settori di chimica, fisica, ingegneria aerospaziale, ingegneria meccanica, ingegneria biomedica e scienze dei materiali per citarne alcuni.