1. Definizione di u principiu neru
Sè mischiemu acqua calda è fredda in un cuntinadore apertu (per esempiu un bucket), u calore si trasferisce da l'acqua calda à l'acqua fredda. Siccomu u cuntinadore hè apertu, una parte di u calore si move in l'aria. U cuntinadore diventa ancu più caldu. U calore liberatu da l'acqua calda ùn hè micca solu assorbitu da l'acqua fredda, ma ancu assorbitu da l'atmosfera è i cuntinadori. In questu casu, u bucket hè un sistema micca isulatu. Quandu mischiemu acqua calda è fredda in un termos chjusu, u calore si trasferisce da l'acqua calda à l'acqua fredda. I termos sò sistemi isulati, dunque nisun calore si move in l'aria o in un termos. L'acqua fredda assorbe solu u calore liberatu da l'acqua calda finu à chì a mistura di acqua calda è acqua fredda ghjunghje à l'equilibriu termicu.
U Principiu Neru dice chì in un sistema chjusu isulatu, u calore liberatu da un oggettu à alta temperatura = calore assorbitu da un oggettu à bassa temperatura.
2. Formula di u principiu neru
Liberazione di Q = assorbimentu di Q
Q liberazione = calore liberatu da ughjetti à alta temperatura, Q assorbimentu = calore assorbitu da ughjetti à bassa temperatura.
3. Esempi di dumande è discussioni
Esempiu di prublema 1.
Un ferru caldu cù una massa di 1 kg è una temperatura di 100 ° C hè messu in un cuntinadore chì cuntene 2 kg d'acqua è una temperatura di 20 ° C. Chì ghjè a temperatura di a mistura finale ? U calore specificu di u ferru = 450 J/kg C₂O₂ , u calore specificu di l'acqua = 4200 J/kg C₂O₂.
Cunnisciutu:
Massa di ferru (m) = 1 kg
Temperatura di u ferru (T) = 100 ° C
Massa d'acqua (m) = 2 kg
Temperatura di l'acqua (T) = 20 ° C
Calore specificu per u ferru (c) = 450 J/kg C o
Calore specificu per l'acqua (c) = 4200 J/kg C o
Cercatu : T ?
Soluzione:
U ferru hà una temperatura più alta chè l'acqua, dunque u ferru libera calore, l'acqua assorbe u calore.
Liberazione di Q = assorbimentu di Q
mc ΔT = mc ΔT
(1)(450)(100-T) = (2)(4200)(T-20)
(450)(100-T) = (8400)(T-20)
45000 – 450T = 8400 T – 168000
45000 + 168000 = 8400 T + 450 T
213000 = 8850 T
T = 213000 : 8850
T = 24 ° C
A temperatura finale di a mistura di ferru caldu è acqua fredda quandu tramindui sò in equilibriu termicu hè 24 ° C.
Esempiu di prublema 2.
0.2 kg di massa di ghiaccio mischiata cù tè caldu cù una massa di 0.2 kg. Temperatura di u ghiaccio = -10 ° C, temperatura di u tè caldu = 40 ° C. U calore specificu di u ghiaccio = 2100 J/kg C₂O₂ , u calore specificu di l'acqua = 4200 J/kg C₂O₂ , u calore di fusione per l'acqua = 334000 J/kg. U ghiaccio è u tè sò mischiati in un sistema isulatu è chjusu.
Cunnisciutu:
Massa di ghiaccio (m) = 0.2 kg
Massa di tè (m) = 0.2 kg
Calore specificu di l'acqua (c) = 4180 J/kg C o
Calore specificu di u ghjacciu (c) = 2100 J/kg C o
Calore di fusione per l'acqua (L F ) = 334 x 10 3 J/kg
Temperatura di u ghjacciu (T ghjacciu ) = -10 ° C
Temperatura di u tè (T tè ) = 40 ° C
Cercasi: Mistura T
Soluzione:
Primu passu, stima u statu finale
U calore chì deve esse liberatu da l'acqua per riduce a temperatura di 0.2 kg di tè caldu, da 40 °C à 0 °C
Q liberazione = mc ∆T
Q liberazione = (0.2 kg) (4180 J/Kg C o ) (40 ° C – 0 ° C)
Q liberazione = (0.2 kg) (4180 J/Kg C o ) (40 ° C)
Q liberazione = 33,440 Joule
Liberazione di Q = 33.44 kJ
U calore hè assorbitu da 0.2 kg di ghiaccio per aumentà a temperatura da -10 ° C à 0 ° C
Q assurbitu = mc ∆T
Q assurbitu = (0.2 kg) (2100 J/Kg C o ) (0 ° C – (-10 ° C))
Q assurbitu = (0.2 kg) (2100 J/Kg C o ) (10 ° C)
Q assorbitu = 4,200 Joule
Q assorbitu = 4.2 kJ
U calore assorbitu per scioglie 0.2 kg di ghiaccio (calore necessariu per scioglie tuttu u ghiaccio in acqua)
Q fusione = m L F
Q fusione = (0.2 kg) (334 x 10 3 J/kg)
Q fusione = 66.8 x 10³ Joule
Q fusione = 66.8 kJ
Basatu annantu à i calculi sopra, i risultati sò i seguenti:
Liberazione di Q = 33.44 kJ
Q assorbe = 4.2 kJ
Q fusione = 66.8 kJ
Quandu u tè libera calore finu à 33.44 kJ, a temperatura di u tè cambia da 40 ° C à 0 ° C. Una parte di u calore liberatu (circa 4.2 kJ) hè adupratu per elevà a temperatura di u ghjacciu da -10 ° C à 0 ° C. 33.44 kJ - 4.2 kJ = 29.24 kJ. U calore restante = 29.24 kJ. Per scioglie tuttu u ghjacciu in acqua ci vole un calore di 66.8 kJ. U calore restante hè solu 29.24 kJ.
In cunclusione, u calore liberatu da u tè caldu hè adupratu solu per elevà a temperatura di u ghjacciu da -10 ° C à 0 ° C è scioglie un pocu di ghjacciu. Una parte di u ghjacciu s'hè sciolta in acqua; una parte micca. Durante u prucessu di trasfurmazione di un solidu in liquidu, a temperatura ùn cambia micca. Dunque, a temperatura di a mistura finale = 0 ° C.
Esempiu di prublema 3.
massa di tè caldu (m) = 0.4 kg,
massa di ghjacciu (m) = 0.2 kg,
temperatura di u ghjacciu = -10 ° C
temperatura di u tè caldu = 90 ° C.
Sè tramindui sò mischiati, chì ghjè a temperatura di a mistura finale ?
U calore specificu per l'acqua (c) = 4180 J/kg C o ,
U calore specificu per u ghjacciu (c) = 2100 J/kg C o ,
Calore di fusione per l'acqua (L F ) = 334 x 103³ J/kg
Soluzione:
Primu passu: Stima di u statu finale
U calore chì deve esse liberatu da l'acqua per riduce a temperatura di 0.4 kg di tè caldu, da 90 ° C à 0 ° C
Q liberazione = mc ∆T
Q liberazione = (0.4 kg) (4180 J/Kg C o ) (90 ° C – 0 ° C)
Q liberazione = (0.4 kg) (4180 J/Kg C o ) (90 ° C)
Q liberazione = 150,480 Joule
Liberazione di Q = 150.48 kJ
U calore assorbitu da 0.2 kg di ghiaccio per aumentà a so temperatura da -10 ° C à 0 ° C
Q assurbitu = mc ∆T
Q assurbitu = (0.2 kg) (2100 J/Kg C o ) (0 ° C – (-10 ° C))
Q assurbitu = (0.2 kg) (2100 J/Kg C o ) (10 ° C)
Q assorbitu = 4,200 Joule
Q assorbitu = 4.2 kJ
U calore necessariu per scioglie 0.2 kg di ghiaccio (calore necessariu per trasfurmà tuttu u ghiaccio in acqua)
Q fusione = m L F
Q fusione = (0.2 kg) (334 x 10 3 J/Kg)
Q fusione = 66.8 x 10³ Joule
Q fusione = 66.8 kJ
Basatu annantu à i calculi sopra, i risultati sò i seguenti:
Liberazione di Q = 150.48 kJ
Q assorbitu = 4.2 kJ
Q fusione = 66.8 kJ
Quandu u tè caldu hà liberatu 150.48 kJ di calore, a temperatura di u tè caldu hè cambiata da 90 ° C à 0 ° C. Una parte di u calore liberatu (circa 4.2 kJ) hè stata aduprata per elevà a temperatura di u ghjacciu da -10 ° C à 0 ° C.
150.48 kJ – 4.2 kJ = 146.28 kJ. U calore restante = 146.28 kJ.
U calore necessariu per scioglie tuttu u ghjacciu in acqua hè solu 66.8 kJ. 146.28 kJ – 66.8 kJ = 79.48 kJ. Hè risultatu chì l'eccessu era di 79.48 kJ. U tè caldu ùn libera micca tuttu u calore finu à chì a temperatura ùn hè ridutta à 0 ° C. Cunclusione: a temperatura di a mistura finale deve esse più grande di 0 ° C.
Passu dui: Determinate a temperatura finale (T)
U calore necessariu per aumentà a temperatura di u ghjacciu da -10 ° C à 0 ° C = 4200 Joule
U calore duvia scioglie tuttu u ghjacciu in acqua, vale à dì calore latente = 66,800 Joule
U calore duvia aumentà a temperatura di l'acqua (acqua da tutta a fusione di u ghjacciu) da 0 ° C à T = (massa di u ghjacciu) (calore di l'acqua) (T – 0 ° C) = (0.2 kg) (4180 J/kg C o )(T) = (836 T) J/C o
U calore liberatu da u tè caldu per riduce a temperatura da 90 ° C à T = (massa d'acqua calda) (tipu di calore di l'acqua) (90 ° C – T) = (0.4 kg) (4180 J/kg C o ) (90 ° C – T) = 1672 J/C o (90 ° C – T) = 150,480 J – (1672 T) J/C o
4200 J + 66,800 J + (836 T) J/C₂O = 150,480 J – (1672 T) J/ C₂O
71,000 J + (836 T) J/C₂O = 150,480 J – (1672 T) J/ C₂O
(836 T) J/C o + (1672 T) J/C o = 150,480 J – 71,000 J
(2508 T) J/C o = 79,480 J
T = 31.7 ° C
Temperatura finale = 31.7 ° C
