Kalorimetriya bo'yicha muhokama savollariga misol
Fizikada kalorimetriya kimyoviy reaksiyalar yoki fizik o'zgarishlarda issiqlikni o'lchashni o'rganadigan fan sohasidir. Issiqlik miqdorini o'lchash uchun ishlatiladigan asbob kalorimetr deb ataladi. Kalorimetriya, ayniqsa, termodinamika va fizik kimyoda muhim rol o'ynaydi, bu yerda issiqlik energiyasining o'zgarishi kuzatiladi va o'lchanadi.
Kalorimetriyaning asosiy tamoyillari
Kalorimetriyaning asosiy printsipi energiyani saqlash qonuniga asoslanadi, ya'ni energiya yaratilishi ham, yo'q qilinishi ham mumkin emas, balki faqat bir energiya turidan boshqasiga o'zgarishi mumkin. Kalorimetriya kontekstida tizim tomonidan yo'qotilgan issiqlik energiyasi atrof-muhit tomonidan yutilgan issiqlik energiyasiga teng bo'lishi kerak. Kalorimetriya tajribalarida asosiy vosita odatda kalorimetr bo'lib, u oddiy kalorimetr, ya'ni suv kalorimetri yoki bomba kalorimetri kabi murakkabroq kalorimetr bo'lishi mumkin.
Asosiy kalorimetriya formulalari
Kalorimetriyadagi asosiy formula:
\[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
Qayerda:
– \( Q \) issiqlik miqdori (joul yoki kaloriyalarda)
– \( m \) moddaning massasi (grammda yoki kilogrammda)
– \( c \) moddaning solishtirma issiqlik sigʻimi (J/(g°C) yoki kal/(g°C) da)
– \( \Delta T \) haroratning o'zgarishi (°C da)
Kalorimetriya tushunchasi va qo'llanilishini yaxshiroq tushunish uchun ba'zi misol savollar va muhokamalarni ko'rib chiqaylik.
Namunaviy savollar va muhokama 1
Savol:
200 grammli metall bo'lagi 100°C gacha qizdiriladi va keyin 20°C da 100 gramm suvga botiriladi. Aralashmaning yakuniy harorati 27°C ga teng. Metallning solishtirma issiqligini aniqlang! (suvning solishtirma issiqligi = 4,18 J/(g°C))
Munozara:
Birinchi qadam suv tomonidan yutilgan issiqlikni hisoblashdir. Asosiy formuladan foydalanib:
\[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} \cdot c_{\text{air}} \cdot \Delta T_{\text{air}} \]
\( m_{\text{air}} = 100 \) gramm, \( c_{\text{air}} = 4.18 \) J/(g°C) va \( \Delta T_{\text{air}} = 27°C – 20°C = 7°C \) bo'lganda,
\[ Q_{\text{air}} = 100 \marta 4.18 \marta 7 = 2926 \text{ J} \]
Metall tomonidan chiqarilgan issiqlik suv tomonidan yutilgan issiqlik bilan bir xil, shuning uchun:
\[ Q_{\text{metal}} = 2926 \text{ J} \]
Issiqlik formulasidan foydalanib:
\[ m_{\text{metal}} \cdot c_{\text{metal}} \cdot \Delta T_{\text{metal}} = Q_{\text{metal}} \]
bilan \( m_{\text{metal}} = 200 \) gramm, \(\Delta T_{\text{metal}} = 100°C – 27°C = 73°C \),
\[ 200 \cdot c_{\text{metal}} \cdot 73 = 2926 \text{ J} \]
\[ c_{\text{metal}} = \frac{2926}{200 \marta 73} \]
\[ c_{\text{metall}} = 0.2 \text{ J/(g°C)} \]
Demak, metallning solishtirma issiqlik sig'imi 0.2 J/(g°C) ga teng.
Namunaviy savollar va muhokama 2
Savol:
0°C haroratda 50 g massali muz bo'lagi kalorimetrda 30°C haroratda 200 g suvga joylashtirilgan. Aralashmaning issiqlik muvozanatiga erishgandan keyingi oxirgi haroratini aniqlang! (muzning erish issiqligi = 334 J/g, suvning solishtirma issiqligi = 4,18 J/g°C)
Munozara:
Birinchi qadam muzni eritish uchun zarur bo'lgan issiqlikni hisoblashdir:
\[ Q_{\text{melt}} = m_{\text{es}} \cdot L \]
bilan \( m_{\text{es}} = 50 \) gramm va \( L = 334 \) J/g,
\[ Q_{\text{eritish}} = 50 \marta 334 = 16700 \text{ J} \]
Keyin, muz eriganidan keyin oxirgi haroratga (T aralashmaning oxirgi harorati deb faraz qilsak) erishish uchun yutilgan issiqlikni toping:
\[ Q_{\text{muzli suv}} = m_{\text{es}} \cdot c_{\text{air}} \cdot (T – 0°C) \]
bilan \( c_{\text{air}} = 4.18 \text{ J/g°C} \),
\[ Q_{\text{suv muzi}} = 50 marta 4.18 marta T \]
Sovuq suv bilan ajralib chiqadigan issiqlik (30°C dan T gacha):
\[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} \cdot c_{\text{air}} \cdot (30°C – T) \]
bilan \( m_{\text{air}} = 200 \) gramm,
\[ Q_{\text{air}} = 200 marta 4.18 marta (30 – T) \]
Termal muvozanatda muz tomonidan yutilgan issiqlik miqdori (eritish va T ga qizdirish uchun) suv tomonidan chiqarilgan issiqlik miqdoriga teng bo'ladi:
\[ Q_{\text{eritish}} + Q_{\text{muzli suv}} = Q_{\text{suv}} \]
\[ 16700 + 50 marta 4.18 marta T = 200 marta 4.18 marta (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 8360 marta (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 250800 - 8360T \]
\[ 8569T = 234100 \]
\[ T = \frac{234100}{8569} \taxminan 27.3°C \]
Shunday qilib, aralashmaning termal muvozanatga erishgandan keyingi oxirgi harorati taxminan 27.3°C ni tashkil qiladi.
Xulosa
Kalorimetriya fizika va kimyoda fizik yoki kimyoviy jarayonda issiqlik energiyasi miqdorini aniqlash uchun qo'llaniladigan muhim usuldir. Kalorimetriyaning asosiy tamoyillari va formulalaridan foydalanib, biz moddaning solishtirma issiqligi, haroratning o'zgarishi yoki jarayonda yutilgan/ajratilgan energiya kabi turli parametrlarni hisoblashimiz mumkin. Ushbu maqolada biz kalorimetriyani tushunish nuqtai nazaridan misol muammolar va ularning yechimlarini ko'rib chiqdik. Ushbu tushunchalarni yaxshi tushunish turli termodinamik muammolarni va boshqa amaliy qo'llanmalarni hal qilish uchun juda muhimdir.
