Fenomene termice: Caldura, schimb de caldura, echilibru termic

Pe scurt

Fenomenele termice studiază transferul de energie sub formă de căldură între corpuri, iar echilibrul termic reprezintă starea în care două sau mai multe corpuri ajung la aceeași temperatură. Principiul fundamental al schimbului de căldură este legea conservării energiei, exprimată prin relația Qcedat = Qprimit. Cantitatea de căldură transferată se calculează cu formula Q = m·c·Δt, iar la schimbările de fază se utilizează Q = m·λ.

Definiții și concepte fundamentale

Fenomenele termice studiază transferul de energie sub formă de căldură între corpuri sau sisteme. Căldura (Q) este energia transferată datorită unei diferențe de temperatură, măsurată în jouli (J). Temperatura reprezintă o măsură a energiei cinetice medii a moleculelor, iar căldura este energia transferată.

Echilibrul termic este starea în care două sau mai multe corpuri, puse în contact termic, ajung la aceeași temperatură, fără transfer net de căldură. Principiul fundamental este legea conservării energiei: Qcedat = Qprimit (în absența pierderilor).

Mecanisme de transfer termic

Procesul de schimb de căldură poate avea loc prin

• Conducție – contact direct între corpuri solide
• Convecție – mișcarea unui fluid
• Radiație – unde electromagnetice

Formule și calcule

Cantitatea de căldură schimbată se calculează cu formula: Q = m·c·Δt, unde:

• m = masa (kg)
• c = căldura specifică (J/(kg·K))
• Δt = variația de temperatură (K sau °C)

La schimbările de stare (topire, vaporizare) se folosește Q = m·λ (λ = căldură latentă).

Un concept avansat este capacitatea calorică (C = m·c) și echilibrul termic în sisteme izolate: Q₁ + Q₂ + ... = 0.

Aplicații

Aplicațiile includ calorimetria, motoarele termice și studiul gazelor. În bacalaureat, se cer probleme de amestecuri, determinarea căldurii specifice și analizarea transformărilor de fază.

Exemplul 1: O bucată de cupru cu masa m=200 g și temperatura inițială t₁=100°C este introdusă într-un calorimetru care conține m₂=300 g apă la t₂=20°C. Ce temperatură de echilibru se atinge? (cCu=385 J/(kg·K), cA=4185 J/(kg·K), calorimetrul se neglijează). Rezolvare: Qcedat = Qprimit => m₁·cCu·(t₁-te) = m₂·cA·(te-t₂).

Se înlocuiește: 0,2·385·(100-te)=0,3·4185·(te-20). Calcul: 77·(100-te)=1255,5·(te-20) => 7700-77te=1255,5te-25110 => 7700+25110=1255,5te+77te => 32810=1332,5te => te=24,62°C.

Exemplul 2: O cantitate de gheață la -10°C (m=50 g) se introduce în 200 g apă la 30°C. Să se afle starea finală și temperatura. (cG=2100 J/(kg·K), cA=4185 J/(kg·K), λ=334000 J/kg). Rezolvare: Se verifică dacă gheața se topește complet.

Căldura cedată de apă la răcire până la 0°C: Qcedat = 0,2·4185·30=25110 J. Căldura necesară pentru încălzirea gheții până la 0°C: Qinc=0,05·2100·10=1050 J. Căldura de topire: Qtop=0,05·334000=16700 J.

Total necesar = 1050+16700=17750 J < 25110 J, deci gheața se topește și temperatura finală >0°C. Qramas=25110-17750=7360 J. Energia rămasă încălzește tot sistemul (200g apă + 50g apă rezultată) la te: 7360=0,25·4185·te => te=7,03°C.

Exemplul 3: Un radiator electric cu puterea P=2000 W funcționează 10 minute. Câtă căldură produce? Dacă încălzește 5 L de apă de la 20°C la 60°C, care este randamentul? (cA=4185 J/(kg·K), ρ=1000 kg/m³). Rezolvare: Qprodus = P·t = 2000·600 = 1.200.000 J. Masa apei: m=ρ·V=1000·0,005=5 kg. Qutil = m·c·Δt = 5·4185·40 = 837.000 J. Randamentul η = Qutil/Qprodus = 837000/1200000 = 0,6975 = 69,75%.

Concepte cheie

• Căldura ca energie transferată (Q=m·c·Δt)
• Schimb de căldură și echilibru termic (Qcedat=Qprimit)
• Căldură latentă și schimbări de fază (Q=m·λ)
• Capacitate calorică și căldură specifică
• Aplicarea principiului conservării energiei în procese termice

Verifică-te!

1. Care este diferența fundamentală dintre temperatură și căldură?
2. Ce formulă se utilizează pentru a calcula cantitatea de căldură schimbată la o schimbare de stare?
3. În ce constă principiul echilibrului termic într-un sistem izolat?