Կալորիմետրիայի քննարկման հարցերի օրինակ
Ֆիզիկայում կալորիմետրիան գիտության մի ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է քիմիական ռեակցիաների կամ ֆիզիկական փոփոխությունների ժամանակ ջերմության չափումը: Ջերմության քանակը չափելու համար օգտագործվող սարքը կոչվում է կալորիմետր: Կալորիմետրիան կարևոր դեր է խաղում, մասնավորապես թերմոդինամիկայում և ֆիզիկական քիմիայում, որտեղ դիտվում և չափվում են ջերմային էներգիայի փոփոխությունները:
Կալորիմետրիայի հիմնական սկզբունքները
Կալորիմետրիայի հիմնական սկզբունքը հիմնված է էներգիայի պահպանման օրենքի վրա, այն է, որ էներգիան չի կարող ո՛չ ստեղծվել, ո՛չ էլ ոչնչացվել, այլ կարող է միայն փոխակերպվել էներգիայի մեկ ձևից մյուսի: Կալորիմետրիայի համատեքստում համակարգի կողմից կորցրած ջերմային էներգիան պետք է հավասար լինի շրջակա միջավայրի կողմից կլանված ջերմային էներգիային: Կալորիմետրիայի փորձերի հիմնական գործիքը սովորաբար կալորիմետրն է, որը կարող է լինել պարզ կալորիմետր, ինչպիսին է ջրային կալորիմետրը, կամ ավելի բարդ կալորիմետր, ինչպիսին է ռումբի կալորիմետրը:
Հիմնական կալորիաչափման բանաձևեր
Կալորիմետրիայի հիմնական բանաձևը հետևյալն է.
Q = m, c, դելտա, T
Որտեղ՝
– \(Q \)-ն ջերմության քանակն է (ջոուլներով կամ կալորիաներով)
– \(m \)-ը նյութի զանգվածն է (գրամներով կամ կիլոգրամներով)
– \( c \)-ն նյութի տեսակարար ջերմունակությունն է (Ջ/(գ°C)-ով կամ կալ/(գ°C)-ով):
– \( \Delta T \)-ն ջերմաստիճանի փոփոխությունն է (°C-ով):
Եկեք դիտարկենք մի քանի օրինակելի հարցեր և քննարկումներ՝ կալորիմետրիայի հասկացությունն ու կիրառությունն ավելի լավ հասկանալու համար։
Հարցերի և քննարկման նմուշներ 1
Հարց՝
200 գրամանոց մետաղական կտորը տաքացվում է մինչև 100°C, ապա թաթախվում է 100 գրամ 20°C ջերմաստիճանով ջրի մեջ։ Խառնուրդի վերջնական ջերմաստիճանը 27°C է։ Որոշեք մետաղի տեսակարար ջերմությունը (ջրի տեսակարար ջերմությունը = 4,18 Ջ/(գ°C)):
Քննարկում.
Առաջին քայլը ջրի կողմից կլանված ջերմության հաշվարկն է։ Օգտագործելով հիմնական բանաձևը՝
\[ Q_{\text{օդ}} = m_{\text{օդ}} \cdot c_{\text{օդ}} \cdot \Դելտա T_{\text{օդ}} \]
Եթե m = 100 գրամ, c = 4.18 Ջ/(գ°C) և դելտա T = 27°C – 20°C = 7°C,
\[ Q_{\text{օդ}} = 100 անգամ 4.18 անգամ 7 = 2926 \text{Ջ} \]
Մետաղի կողմից անջատված ջերմությունը նույնն է, ինչ ջրի կողմից կլանված ջերմությունը, հետևաբար՝
\[ Q_{\text{մետաղ}} = 2926 \text{Ջ} \]
Ջերմային բանաձևի կիրառումը.
\[ m_{\text{մետաղ}} \cdot c_{\text{մետաղ}} \cdot \Դելտա T_{\text{մետաղ}} = Q_{\text{մետաղ}} \]
որտեղ \(m_{\text{մետաղ}} = 200 \) գրամ, \(\Դելտա T_{\text{մետաղ}} = 100°C – 27°C = 73°C \),
200 մետաղ 73 = 2926 Ջ
\[ c_{\text{մետաղ}} = \frac{2926}{200 \times 73} \]
c_{\text{մետաղ}} = 0.2 \text{Ջ/(գ°C)}\]
Այսպիսով, մետաղի տեսակարար ջերմությունը 0.2 Ջ/(գ°C) է։
Հարցերի և քննարկման նմուշներ 2
Հարց՝
0°C ջերմաստիճանում 50 գ զանգվածով սառցե կտորը տեղադրվում է կալորիմետրի միջոցով 30°C ջերմաստիճանում գտնվող 200 գ ջրի մեջ։ Որոշեք խառնուրդի վերջնական ջերմաստիճանը ջերմային հավասարակշռության հասնելուց հետո։ (սառույցի հալման ջերմությունը = 334 Ջ/գ, ջրի տեսակարար ջերմությունը = 4,18 Ջ/գ°C):
Քննարկում.
Առաջին քայլը սառույցը հալեցնելու համար անհրաժեշտ ջերմության հաշվարկն է.
\[ Q_{\text{հալում}} = m_{\text{es}} \cdot L \]
որտեղ \(m_{\text{es}} = 50 \) գրամ և \(L = 334 \) Ջ/գ,
\[ Q_{\text{հալում}} = 50 \times 334 = 16700 \text{ Ջ} \]
Հաջորդը, գտեք սառույցի կողմից կլանված ջերմությունը հալվելուց հետո՝ վերջնական ջերմաստիճանին (T) հասնելու համար (ենթադրելով, որ T-ն խառնուրդի վերջնական ջերմաստիճանն է):
\[ Q_{\text{սառցե ջուր}} = m_{\text{es}} \cdot c_{\text{օդ}} \cdot (T – 0°C) \]
որտեղ՝ (c_{\text{օդ}} = 4.18 \text{Ջ/գ°C}\),
\[ Q_{\text{ջրային սառույց}} = 50 անգամ 4.18 անգամ T \]
Սառը ջրի կողմից անջատված ջերմություն (30°C-ից մինչև T):
\[ Q_{\text{օդ}} = m_{\text{օդ}} \cdot c_{\text{օդ}} \cdot (30°C – T) \]
որտեղ \(m_{\text{օդ}} = 200 \) գրամ է,
\[ Q_{\text{օդ}} = 200 անգամ 4.18 անգամ (30 – T) \]
Ջերմային հավասարակշռության դեպքում սառույցի կողմից կլանված ջերմության քանակը (հալվելու և մինչև T տաքանալու համար) հավասար կլինի ջրի կողմից անջատված ջերմության քանակին.
\[ Q_{\text{հալույթ}} + Q_{\text{սառցե ջուր}} = Q_{\text{ջուր}} \]
\[ 16700 + 50 անգամ 4.18 անգամ T = 200 անգամ 4.18 անգամ (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 8360 \times (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 250800 – 8360T \]
\[ 8569T = 234100 \]
\[ T = \frac{234100}{8569} \մոտավորապես 27.3°C \]
Այսպիսով, ջերմային հավասարակշռության հասնելուց հետո խառնուրդի վերջնական ջերմաստիճանը մոտ 27.3°C է։
Եզրակացություն
Կալորիմետրիան ֆիզիկայի և քիմիայի կարևոր տեխնիկա է, որն օգտագործվում է ֆիզիկական կամ քիմիական պրոցեսում ջերմային էներգիայի քանակը որոշելու համար: Օգտագործելով կալորիմետրիայի հիմնական սկզբունքներն ու բանաձևերը, մենք կարող ենք հաշվարկել տարբեր պարամետրեր, ինչպիսիք են նյութի տեսակարար ջերմությունը, ջերմաստիճանի փոփոխությունը կամ պրոցեսում կլանված/ազատված էներգիան: Այս հոդվածում մենք դիտարկել ենք օրինակելի խնդիրներ և դրանց լուծումները՝ կալորիմետրիան հասկանալու համատեքստում: Այս հասկացությունների լավ ըմբռնումը կարևոր է տարբեր թերմոդինամիկական խնդիրներ լուծելու և այլ գործնական կիրառություններ կատարելու համար:
