Calorimetrie: căldura și schimbul termic

Căldura la variația temperaturii

Căldura primită sau cedată de un corp la schimbarea temperaturii:

$Q = m c \Delta T$

unde $c$ = căldura specifică (J/(kg·K)), caracteristică substanței. Pentru apă: $c_{apa} \approx 4185$ J/(kg·K), printre cele mai mari: de aceea apa e agent termic excelent.

Exemplu. Încălzirea a 2 kg de apă cu 10°C: $Q = 2 \cdot 4185 \cdot 10 = 83\,700$ J.

Ecuația calorimetrică

La contactul termic a două corpuri izolate de exterior, căldura cedată de corpul cald = căldura primită de cel rece:

$Q_{cedat} = Q_{primit} \qquad m_1 c_1 (t_1 - t_e) = m_2 c_2 (t_e - t_2)$

unde $t_e$ = temperatura de echilibru (între $t_2$ și $t_1$).

Exemplu rezolvat. Amesteci $m_1 = 1$ kg apă la $80°$C cu $m_2 = 3$ kg apă la $20°$C (același $c$, se simplifică):

$1 \cdot (80 - t_e) = 3 \cdot (t_e - 20) \Rightarrow 80 - t_e = 3t_e - 60 \Rightarrow t_e = 35°C$

Verificare: 35° e între 20° și 80°, mai aproape de temperatura masei mai mari ✓.

Căldurile latente (schimbările de stare)

La topire/vaporizare temperatura RĂMÂNE CONSTANTĂ; căldura schimbată:

$Q = m \lambda$

cu $\lambda$ = căldura latentă specifică (topire, vaporizare). Pentru gheață: $\lambda_t \approx 334\,000$ J/kg; pentru vaporizarea apei: $\lambda_v \approx 2{,}26 \cdot 10^6$ J/kg.

Exemplu. Topirea a 0,5 kg de gheață aflată deja la 0°C: $Q = 0{,}5 \cdot 334\,000 = 167\,000$ J.

Greșeli frecvente

1. $\Delta T$ în kelvin sau grade Celsius e ACELAȘI numeric (e o diferență): nu converti.
2. Temperatura de echilibru trebuie să iasă ÎNTRE temperaturile inițiale; altfel ai greșit semnele.
3. Dacă gheața pornește de la sub 0°C, întâi o încălzești la 0°C (mc∆T), apoi o topești (mλ): două etape.