Kalorimetrijos diskusijų klausimų pavyzdys
Fizikoje kalorimetrija yra mokslo šaka, tirianti šilumos matavimą cheminėse reakcijose arba fiziniuose pokyčiuose. Šilumos kiekiui matuoti naudojamas prietaisas vadinamas kalorimetru. Kalorimetrija vaidina labai svarbų vaidmenį, ypač termodinamikoje ir fizikinėje chemijoje, kur stebimi ir matuojami šiluminės energijos pokyčiai.
Pagrindiniai kalorimetrijos principai
Pagrindinis kalorimetrijos principas grindžiamas energijos tvermės dėsniu, būtent, kad energija negali būti nei sukurta, nei sunaikinta, o gali būti tik transformuojama iš vienos energijos formos į kitą. Kalorimetrijos kontekste sistemos prarandama šilumos energija turi būti lygi aplinkos sugeriamai šilumos energijai. Pagrindinis kalorimetrijos eksperimentų įrankis paprastai yra kalorimetras, kuris gali būti paprastas kalorimetras, būtent vandens kalorimetras, arba sudėtingesnis kalorimetras, pavyzdžiui, bombos kalorimetras.
Pagrindinės kalorimetrijos formulės
Pagrindinė kalorimetrijos formulė yra:
\[Q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
mano:
– \(Q \) yra šilumos kiekis (džauliais arba kalorijomis)
– \(m \) yra medžiagos masė (gramais arba kilogramais)
– \(c \) yra medžiagos savitoji šiluma (J/(g°C) arba cal/(g°C))
– \( \Delta T \) yra temperatūros pokytis (°C)
Pažvelkime į keletą klausimų ir diskusijų pavyzdžių, kad geriau suprastume kalorimetrijos sąvoką ir taikymą.
Pavyzdiniai klausimai ir diskusija 1
Klausimas:
200 gramų metalo gabalas įkaitinamas iki 100 °C ir panardinamas į 100 gramų 20 °C temperatūros vandens. Galutinė mišinio temperatūra yra 27 °C. Nustatykite metalo savitąją šilumą! (vandens savitoji šiluma = 4,18 J/(g °C))
Diskusija:
Pirmas žingsnis – apskaičiuoti vandens sugeriamą šilumą. Naudojant pagrindinę formulę:
\[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} \cdot c_{\text{air}} \cdot \Delta T_{\text{air}} \]
Kai \(m_{\text{air}} = 100 \) gramų, \(c_{\text{air}} = 4.18 \) J/(g°C), ir \(ΔT_{\text{air}} = 27°C – 20°C = 7°C \),
\[ Q_{\text{air}} = 100 × 4.18 × 7 = 2926 \text{J} \]
Metalo išskiriama šiluma yra tokia pati, kokią sugeria vanduo, taigi:
\[ Q_{\text{metal}} = 2926 \text{ J} \]
Naudojant šilumos formulę:
\[ m_{\text{metal}} \cdot c_{\text{metal}} \cdot \Delta T_{\text{metal}} = Q_{\text{metal}} \]
kai \(m_{\text{metal}} = 200 \) gramų, \(ΔT_{\text{metal}} = 100 °C – 27 °C = 73 °C \),
\[200 \cdot c_{\text{metal}} \cdot 73 = 2926 \text{J} \]
\[ c_{\text{metal}} = \frac{2926}{200 \x 73} \]
\[ c_{\text{metalas}} = 0.2 \text{ J/(g°C)} \]
Taigi, metalo savitoji šiluma yra 0.2 J/(g°C).
Pavyzdiniai klausimai ir diskusija 2
Klausimas:
Kalorimetre į 200 g vandens, kurio temperatūra 30 °C, įdedamas 50 g masės ledo luitas, kurio temperatūra 0 °C. Nustatykite galutinę mišinio temperatūrą, kai pasiekiama terminė pusiausvyra! (ledo lydymosi šiluma = 334 J/g, vandens savitoji šiluma = 4,18 J/g °C)
Diskusija:
Pirmas žingsnis – apskaičiuoti ledui ištirpti reikalingą šilumą:
\[ Q_{\text{melt}} = m_{\text{es}} \cdot L \]
kur m = 50 gramų ir L = 334 J/g,
\[ Q_{\text{lydymas}} = 50 × 334 = 16700 \text{J} \]
Toliau raskite šilumą, kurią sugeria ledas ištirpęs, kad pasiektų galutinę temperatūrą \(T \) (darant prielaidą, kad T yra galutinė mišinio temperatūra):
\[ Q_{\text{ledinis vanduo}} = m_{\text{es}} \cdot c_{\text{oras}} \cdot (T – 0°C) \]
kur (c_{\text{air}} = 4.18 \text{ J/g°C}),
\[ Q_{\text{vandens ledas}} = 50 × 4.18 × T \]
Šalto vandens (nuo 30°C iki T) išskiriama šiluma:
[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} ∫dot c_{\text{air}} ∫dot (30°C – T) ]
su \(m_{\text{air}} = 200 \) gramų,
\[ Q_{\text{air}} = 200 × 4.18 × (30 – T) \]
Esant terminei pusiausvyrai, ledo sugeriamas šilumos kiekis (kad ištirptų ir įkaistų iki T) bus lygus vandens išskiriamo šilumos kiekiui:
\[ Q_{\text{tirpsta}} + Q_{\text{ledinis vanduo}} = Q_{\text{vanduo}} \]
\[16700 + 50 × 4.18 × T = 200 × 4.18 × (30 – T) \]
\[16700 + 209T = 8360 kartų (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 250800 – 8360T \]
\[8569T = 234100 \]
\[T = \frac{234100}{8569} \apytiksliai 27.3 °C \]
Taigi, galutinė mišinio temperatūra, pasiekus terminę pusiausvyrą, yra apie 27.3 °C.
Išvada
Kalorimetrija yra svarbi fizikos ir chemijos technika, naudojama šilumos energijos kiekiui fizikiniame ar cheminiame procese nustatyti. Naudodami pagrindinius kalorimetrijos principus ir formules, galime apskaičiuoti įvairius parametrus, tokius kaip medžiagos savitoji šiluma, temperatūros pokytis arba proceso metu sugeriama / išskiriama energija. Šiame straipsnyje nagrinėjome pavyzdines problemas ir jų sprendimus, siekdami suprasti kalorimetriją. Geras šių sąvokų supratimas yra būtinas sprendžiant įvairias termodinamines problemas ir atliekant kitus praktinius pritaikymus.
