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📜  量热法

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:38.107000             🧑  作者: Mango

量热法

宇宙由两种元素组成：物质和能量。物质由原子和分子组成，能量使这些原子和分子不断运动——要么通过来回振动，要么相互碰撞。分子和原子的这种运动会产生一种称为热能或热量的能量。热量存在于所有材料中，即使是最冷的空间缝隙。本文讨论量热法，这是一种测量发生在化学反应或其他物理过程中的热传递的方法。在跳到主要话题之前，首先让我们了解什么是热量和温度。

热：当两个温度不同的物体保持接触时，温度较高的物体会冷却，而温度较低的物体会变暖。在这里，当具有温差的两个物体相互接触时，能量就会转移。因此，由于温差而在两个物体之间传递的能量称为热量。热量的 SI 单位是焦耳 (J)。

温度：表示材料冷热的物理量，称为温度。使用温度计或热量计测量温度。温度由摄氏、华氏和开尔文三个标度测量。温度的 SI 单位是开尔文 (K)。

物质的热性质

物质的物理性质，当热量通过它时由材料表现出来，称为物质的热性质。这些特性决定了存在热量时物质的性质，即材料在受到过热或过低热量时的行为方式。物质的热特性与其热传导有关。下面讨论的物质有四种热特性：

1.热容量：使材料温度升高1°C而不发生任何相变所需的热量称为热容量。该热量通常以焦耳或卡路里表示，温度波动或简单的温度以摄氏度或华氏度表示。热容量的 SI 单位是焦耳每开尔文 (J/K)。

  • 材料的比热容是使 1 克材料的温度升高 1 °C 所需的热量。
  • 材料的摩尔热容是使 1 摩尔材料的温度升高 1 °C 所需的热量。

2. 热膨胀：当热量通过材料时，其形状会发生变化。换句话说，物体在加热时会膨胀。因此，由于温度升高，身体的大小会增加。材料的这种特性称为热膨胀。在气体的情况下，热膨胀是可测量的高，而在液体和固体的情况下，它相对较小。

3. 导热性：导热性是材料传递/传导热量的特性。当两个物体接触时会产生导热性。这些材料称为导体。在导体中，热量从具有高热能的材料移动到具有低热能的材料。这种热传递将持续到保持相互接触的物体之间的热平衡。下面是显示热导率的图像。

完全不导热的材料称为绝缘体。这些物体显示绝缘特性。例如，普通的窗户玻璃比铁棒传导的热量少。

热导率的 SI 单位是 W/mK（瓦特每米-开尔文）。热导率可以使用下面给出的公式计算：

k = Q × L/A (T 2 – T 1 )

其中 k 是热导率，Q 是热流，L 是物体的厚度或长度，A 是物体的表面积，(T 2 – T 1 ) 是温度梯度。

导热系数

4. 热应力：由于热膨胀或收缩，身体会承受某种压力。这称为热应力。热应力的缺点是它有可能破坏物体，因为它可以使材料爆炸，因此它可能在本质上具有破坏性。除了这个缺点之外，热应力还具有优势，例如，通过在制造过程中加热一个部件然后将其滑过另一个部件来连接两个部件，从而使这种组合冷却。

热应力计算公式如下：

δ t = α × L × (T – T 0 )

其中 δ 是温度变化引起的变形，α 是温度膨胀系数，L 是原始长度，T 是最终温度，T 0是初始温度。

例如，大卡车的轮胎上可以看到裂纹，在道路上高速行驶会导致路面与轮胎之间的摩擦产生热量，从而导致热膨胀。由于这种热膨胀，轮胎会承受应力。所以裂纹是热应力的结果。因此，现在让我们研究量热法，下面将对此进行解释，

量热法

因此，为了确定身体是否接收或失去热能，我们测量身体在传递前后的温度。人体热能的变化是由温度的变化决定的。

量热法是观察身体状态变量变化的行为或科学，以测量与其状态变化相关的热传递，例如在某些条件下的物理变化或相变。热量计用于进行热量测定。请记住，本主题主要涵盖“热”能到其他类型能量（如功）的传输和转换，反之亦然。

热量计

简单的热量计是一种容器，通常由铜制成，并带有相同材料的搅拌器。该容器被保存在一个木箱中，以将其与周围环境热隔离。温度计用于测量热量计内容物的温度。有一个开口可以插入温度计以测量内部热特性的变化。

在热量计中，使处于不同温度的物体相互接触。在热量计中，燃烧固定量的燃料，从而加热水。燃料损失的热量等于水获得的热量。结果，热量在物体和热量计之间进行交换。忽略与周围的任何热交换。这就是为什么热量计应该与环境绝缘很重要的原因；以提高实验的准确性。这种热交换是通过温度计测量的。

热量计

热量计原理

当两个不同温度的物体（理想情况下是固体和液体）相互接触时，热量会从温度较高的物体传递到温度较低的物体，直到它们之间达到热平衡。温度较高的身体会散发热量，而温度较低的身体会吸收热量。

潜热

在恒定温度下，将单位质量的物质从一种状态完全转变为另一种状态所需的热量称为潜热。但是，在恒定温度下将单位质量的固体在其熔点下变为液态所需的热量称为熔化潜热。例如;冰的熔化潜热为80 kcal kg -1 。

熔化质量为 m 的固体所需的热量可以写成：

Q = 毫升

其中 L 是给定材料（和周围条件）的常数，或称为比熔化/汽化潜热。

当液体将其相变为蒸气时，该等式也有效。在这里，常数L被称为比熔化潜热，或者熔化的潜热也被用来表示相同的东西。

当固体熔化时，这种熔化的固体的分子会在强大的分子吸引力的作用下分开，这需要一些来自外部的能量。因此，给定材料在液相中的内能大于在固相中的内能。同样，在气相中，给定材料的内能大于液相中的内能。

在恒定温度下将单位质量的液体在其沸点变为蒸气状态所需的热量称为汽化潜热。例如; H 2 O的汽化潜热为540 kcal kg -1 。

示例问题

问题 1：一个人的皮肤在接触 1 克 100摄氏度的蒸汽时比接触 1 克 100摄氏度的水更严重。请解释。

解决方案：

问题 2：热量计放在一个木箱中，以使其与周围环境隔热。为什么有必要？

解决方案：

问题3：当固体熔体或液体沸腾时，即使提供热量，温度也不会升高。能量去哪儿了？

解决方案 ：

问题 4：质量为 0.5 公斤的铝制容器中装有 0.2 公斤 20摄氏度的水。将一块 100摄氏度质量为 0.2 公斤的铁块轻轻放入水中。求混合物的平衡温度。铝、铁和水的比热容分别为 910 J kg -1 K -1 、470 J kg -1 K -1和 4200 J kg -1 K -1 。

解决方案：

问题 5：将一块铁（密度 = 8000 kg m -3 ，比热容 = 470 J kg -1 K -1 ）加热到高温并放在 0 o C 的一大块冰上。立方体融化了它下面的冰，置换了水，然后就进入了冰里面。计算立方体的初始温度。忽略冰和立方体外的任何热量损失。冰的密度= 900 kg m -3 ，冰的熔化潜热= 3.36 × 10 5 J kg -1 。

解决方案：

问题 6：计算使用额定功率为 1000 W 的浸入式加热器将 20 kg 的水从 10 o C 加热到 35 o C 所需的时间。假设 80% 的功率输入用于加热水。水的比热容=4200 J kg -1 K -1 。

解决方案：

问题 7：一块重 4 kg 的砖块从 2 m 的高度落入 1 m 深的河流中。假设 80% 的重力势能最终转化为热能，求这个热能的单位是卡路里。

解决方案：