Kalorymetria

Ciepło

Zjawiska związane z ciepłem można opisywać makroskopowo, czyli wykorzystując następujące wielkości: temperaturę, ciśnienie, rozmiary ciała, energię lub mikroskopowo - posuługując się korpuskularnym (cząsteczkowym) modelem budowy materii.
Mówimy, że ciało ogrzewa się gdy jego tempertura rośnie, oraz że ciało ochładza się gdy jego temperatura maleje.

Przekazywanie ciepła

Przekazywanie (przepływ) ciepła to inaczej proces dochodzenia do równowagi termicznej, czyli przekazywanie energii z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.
Między ciałami o równych temperaturach ciepło nie jest przekazywane.

  • przekazywanie ciepła w postaci promieniowania elektromagnetycznego

każde ciało jest źródłem takiego promieniowania, z tym, że ciała chłodniejsze promieniują słabiej niz cieplejsze. Ciała również pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne. Promieniowanie to nosi również nazwę promieniowania termicznego. Jego intensywnośc zależy od temperatury ciała i jego powierzchni- ciała o gładkiej, jasnej i lśniącej powierzchni emitują i pochłaniają mniej promieniowania niż ciała o powierzchni ciemnej lub chropowatej. Im wyższa temperatura ciała tym promieniowanie ma wyższą częstotliwość (światło koloru czerwonego ma niższą częstotliwość niż koloru żótego).

  • przewodzenie

niezależnie od stanu skupienia wszystkie ciała przewodzą ciepło, ale jedne lepiej a inne słabiej. Metale na ogół mają dużą zdolnośc przewodzenia ciepła a drewno niską.

  • konwekcja

prądy konwekcyjne powstają w gazach i cieczach i unoszą cząsteczki o wyższej temperaturze w górę.

Fazy

Faza to zbiór części układu, które mają jednakowe własności fizyczne i jednakowy skład i są oddzielone od pozostałych części tego układu powierzchniami rozdziału.
Wiele substancji wykazuje cechę, zwaną alotropią, czyli w jednym stanie może występować w różnych fazach różniących się strukturą budowy wewnętrznej i własnościami fizycznymi.
Np. cyna w stanie stałym ma trzy odmiany - cynę I (białą - metal), cynę II (szarą - półprzewodnik) i cynę III; węgiel występuje jako miękki grafit, twardy diament, kulisty fulleren, długa i cienka nanorurka.

Mikroskopowy model zjawisk cieplnych

Do mikroskopowego opisu materii uzywamy modelu kinetyczno-molekularnego, który oparty jest na następujących założeniach:

  • substancje zbudowane są drobin (molekuł)
  • molukuły są w ciągłym ruchu
  • molekuły oddziałują na siebie wzajemnie

Molekuła oznacza cząsteczkę(np. 02, H2O) lub pojedynczy atom.
Stany skupienia substancji można

Energia wewnętrzna ciał i jej zmiany

Ciepło właściwe

Zmiany stanu skupienia ciał

Podczas ogrzewania ciała stałego może ono zmienić swój stan skupienia na ciekły (w procesie topnienia), gazowy ( w procesie sublimacji) lub po prostu zwiększyć temperaturę.
Podczas ogrzewania cieczy może ona zamienić się w gaz ( w procesie parowania) lub po prostu zwiększyć temperaturę.
Podczas ochładzania gazu może on się zamienić w ciecz (w procesie skraplania) albo w ciało sitałe (w procesie resublimacji) lub po prostu zmniejszyć temperaturę.
Podczas ochładzania cieczy może ona zamienić się w ciało stałe (w procesie krzepnięcia) lub po prostu zmniejszyć temperaturę.
Podczas zmian stanu skupienia ciał temperatura nie zmienia się.

Topnienie ciał - to proces przejścia ciała ze stanu stałego w ciekły. Zjawisko to jest związane z pobraniem ciepła. Proces odwrotny to krzepnięcie. Procesy te zachodzą w stałej temperaturze.
Ciepłem topnienia nazywamy ilość ciepła potrzebnego do przejścia jednostki masy ciała ze stanu stałego w stan ciekły w stałej temperaturze.

(1)
\begin{equation} Q = m * L \end{equation}

gdzie:
Q - ilość ciepła
m - masa ciała
L - ciepło topnienia
Jednostką jest J/kg.
Ciepłem krzepnięcia nazywamy ilość ciepła, którą oddaje jednostka masy ciała przy zamianie cieczy w ciało stałe w stałej temperaturze. Dla danej substancji ciepło topnienia jest równe ciepłu krzepnięcia.
Temperatura topnienia to stała temperatura, w której ciało się topi. Ciała krystaliczne mają stałą temperaturę topnienia, natomiast ciała bezpostaciowe zmaniają swój stan skupienia w pewnym przedziale temperatur.

Parowanie ciał - to proces przejścia ciała ze stanu ciekłego w parę (stan lotny - gaz). Zjawisko to jest związane z pobraniem ciepła. Proces odwrotny to skraplanie. Procesy te zachodzą w stałej temperaturze.
Podczas parowania cząsteczki o największej energii znajdujące się przy powierzchni opuszczają ją i przechodzą do stanu lotnego. W związku z tym ciecz traci cząsteczki o największej energii w efekie temperatura cieczy ulega obniżeniu (uczucie chłodu gdy schnie mokra skóra).
Ciepłem parowania nazywamy ilość ciepła potrzebnego do przejścia jednostki masy ciała ze stanu ciekłego w stan gazowy w stałej temperaturze.

(2)
\begin{equation} Q = m * R \end{equation}

gdzie:
Q - ilość ciepła
m - masa ciała
L - ciepło parowania
Jednostką jest J/kg.
Ciepłem skraplania nazywamy ilość ciepła, którą oddaje jednostka masy ciała przy przejściu ze stanu gazowego w ciecz w stałej temperaturze. Dla danej substancji ciepło skaraplania jest równe ciepłu parowania.

Od czego zależy szybkość parowania?

  1. wielkości powierzchni parującej cieczy
  2. rodzaju cieczy
  3. różnicy temperatur pomiędzy cieczą a otoczeniem
  4. przewiewu
  5. ciśnienia
  6. wilgotności wzgldnej powietrza nad cieczą

Gwatowne parowanie w całej objętości cieczy to wrzenie.

Różnice między parowaniem a wrzeniem:

  • parowanie zachodzi na powierzchni cieczy a wrzenie w całej objętości
  • ciecz paruje w każdej temperaturze a wrzenie zachodzi w ściśle określonej temperaturze przy danym ciśnieniu dla określonej cieczy

Sublimacja - to proces przejchodzenia ciała bezpośrednio ze stanu stałego w gazowy. Proces odwrotny nazywa się resublimacją.
Sublimacji podlegą ciała takie jak kamfora, naftalina, styropian.

Para nasycona

Para nasycona to para będąca w równowadze termodynamicznej z własną cieczą. Znaczy to, że tyle samo cząsteczek przechodzi z pary do cieczy w jednostce czasu ile sie w tym czasie skrapla.
Para nasycona występuje w zamkniętym naczyniu nad własną cieczą.
Para nasycona ma w danej temperaturze największą gęstość.
Para nasycona ma w danej temperaturze największe ciśnienie (prężoność).
Para nasycona nie podlega prawom gazowym.
W czasie wrzenia w pęcherzykach powstających wewnątrz cieczy znajduje się para nasycona.

Wilgotność

Wilgotnością bezwzględną nazywamy ilość gramów pary wodnej obecnej w 1 m3 powietrza.

(3)
\begin{align} W_{\rm bezwzgl} = \frac {m_{\rm pary}}{V _{\rm powietrza}}} \end{align}

Wilgotnością względną nazywamy stosunek pary wodnej zawartej w pewnej objętości do masy parywodnej, która by w tej temperaturze nasyciła tę objętość powietrza (w procentach!).
Im niższa temperatura powietrza tym wilgotność względna większa.

(4)
\begin{align} W_{\rm wzgl} = \frac {m_{\rm pary w objetosci powietrza}}{M _{\rm pary nasycajacej te objetosc}}} \end{align}

Wilgotnośc względną można też policzyć ze stosunku gęstości par lub ich ciśnień.

Do wyznaczania wilgotności wzglednej używa się higrometrów.
Działanie higrometru włosowego oparte jest na pomiarze wydłużenia włosa podczas wzrostu wilgotności względnej.

Punkt potrójny

Punktem potrójnym nazywamy taką wartość ciśnienia i temperatury, w którym współistnieje substancja w trzech stanach skupienia jednoczesnie.
Dla wody współrzędne punktu potrójnego K wynoszą: p=4,9*mm słupka rtęci i t=0,0080C.

Bilans cieplny

Kalorymetr - to naczynie zbudowane z dwóch pojemników wykonanych najczęściej z aluminium, umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Wewnętrzne naczynie oparte jest na drewnianej podstawcea w jego przykrywce wewnętrznego naczynia są dwa otwory dzięki którym można mieszać to co jest w kalorymetrze i mierzyć w nim temperaturę. Dobry kalorymetr zapewnia brak wymiany ciepa z otoczeniem.
Bilansem cieplnym nazywamy zasadę zachowania energii cieplnej dla stykających sie ciał o różnej temperaturze, między którymi zachodzi wymiana energii.
Jeżeli nie ma wymiany ciepła z otoczeniem (co jest spełnione w dobrze izolowanym kalorymetrze) to ilość ciepła traconego przez ciała o wyższej temperaturze równa jest ilości ciepła pobranego przez ciało o niższej temperaturze.

(5)
\begin{align} Q _{\rm oddane} = Q _{\rm pobrane} \end{align}

Ciepło, które ciało pobiera (lub oddaje) można obliczyć według wzoru:

(6)
\begin{align} Q=m _{\rm ciala}*c _{\rm wlasciwe}*\Delta T \end{align}
O ile nie zaznaczono inaczej, treść tej strony objęta jest licencją Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License