Pe scurt
Căldura (Q) reprezintă un transfer de energie între sisteme datorat diferenței de temperatură, măsurat în Jouli (J). Capacitatea calorică (C) și căldura specifică (c) sunt proprietăți care permit calcularea schimburilor termice, iar ecuația calorimetrică (Qcedat + Qprimit = 0) stă la baza determinării temperaturii de echilibru între corpuri. La schimbările de stare intervine căldura latentă (λ), fără variație de temperatură.
Definiția căldurii și unități de măsură
- Căldura (Q) este o formă de transfer de energie între două sisteme termodinamice (sau între un sistem și mediul său) datorită unei diferențe de temperatură
- Nu este o proprietate a sistemului, ci un proces
- Unitatea de măsură în Sistemul Internațional este Joule (J)
- Căldura se transferă spontan de la corpul cu temperatură mai mare la cel cu temperatură mai mică, până la atingerea echilibrului termic
Capacitatea calorică și căldura specifică
- Capacitatea calorică (C) a unui corp reprezintă cantitatea de căldură necesară pentru a-i crește temperatura cu un grad Kelvin (sau Celsius): C = Q / ΔT
- Depinde de natura materialului și de masa corpului
- Pentru materiale omogene, se definește căldura specifică (c) ca fiind capacitatea calorică raportată la unitatea de masă: c = Q / (m · ΔT)
- În relația Q = m · c · ΔT:
- Q este
pozitiv dacă sistemul primește căldură (ΔT > 0)
- Q este negativ dacă sistemul cedează căldură (ΔT < 0)
Principiul al doilea al termodinamicii (formularea lui Clausius)
- „Căldura nu poate trece de la un corp rece la unul cald fără un consum de lucru mecanic”
Schimbul de căldură între corpuri
- Pentru două corpuri care interacționează termic (fără pierderi către exterior), se aplică ecuația calorimetrică: Qcedat + Qprimit = 0
- Forma dezvoltată: m1 · c1 · (Tfinal - T1) + m2 · c2 · (Tfinal - T2) = 0
- Din această ecuație se poate deduce temperatura de echilibru
Căldura latentă la schimbările de stare
- La schimbările de stare (topire, vaporizare), căldura absorbită sau degajată este latentă: Q = m · λ
- λ = căldura latentă specifică
- Nu apare variație de temperatură în timpul schimbării de stare
Aparate de măsură
- Calorimetrul – recipient izolat termic, utilizat în laborator pentru a măsura căldurile specifice sau latente
Distincția între căldură și temperatură
- Temperatura măsoară energia cinetică medie a moleculelor
- Căldura este energia transferată
Noțiuni avansate (gaze ideale)
- Capacitatea calorică molară la volum constant (CV)
- Capacitatea calorică molară la presiune constantă (Cp)
- Relația dintre ele: Cp - CV = R (constanta universală a gazelor)
- Pentru transformări adiabatice (fără schimb de căldură): Q = 0, iar variația de temperatură se corelează cu lucrul mecanic
Exemple practice
- Exemplul 1: Un bloc de aluminiu (m=200g, T1=80°C, c_Al=900 J/(kg·K)) introdus în 500g apă la 20°C (c_apa=4185 J/(kg·K)). Temperatura de echilibru: Te ≈ 24,75°C.
- Exemplul 2: Un cub de gheață (m=50g, -10°C, c_g=2090 J/(kg·K), λ=334000 J/kg) introdus în 200g apă la 30°C (c_apa=4185 J/(kg·K)). Temperatura finală: Te ≈ 7,04°C.
- Exemplul 3: Într-un calorimetru (C_cal=100 J/K) cu 300g apă la 25°C se adaugă 100g apă la 80°C. Temperatura de echilibru: Te ≈ 37,96°C.
Verifică-te!
- Care este diferența fundamentală între căldură și temperatură din punct de vedere molecular?
- Ce reprezintă căldura latentă specifică (λ) și în ce situații se aplică formula Q = m · λ?
- Cum se modifică ecuația calorimetrică atunci când și calorimetrul absoarbe căldură?