I. FENOMENE TERMICE

Recapitulare Mărimi Fizice Clasa a VII-a



I.1. Agitația termică. Difuzia.

Experiment

1. Mişcarea browniană

Materiale necesare: pudră de curry, apă, microscop.

Descrierea experimentului:

  • Șterge praful cu o lavetă, fără să folosești sprayul de mobilă, într-o cameră luminată de Soare, cu draperiile trase, lăsând o mică porțiune unde să pătrundă lumina. Privește particulele de praf din aer. Ce observi?
  • Amestecă pulberea de curry cu o picătură de apă. Ai obținut o suspensie (suspensia este un amestec eterogen format dintr-un solid care nu se dizolvă într-un fluid - gaz sau lichid).
  • Pune pe lamela microscopului o picătură din acest amestec și observă ce se întâmplă cu particulele colorate. Ce observi?
Observaţie

Când ștergi praful vei putea observa mișcarea continuă și dezordonată a particulelor de praf din aer. Particulele pudrei colorate se mișcă continuu și dezordonat.

Această mișcare a particulelor a fost observată pentru prima oară de botanistul englez Robert Brown în anul 1827. Preocupat cu studiul microscopic al polenului diverselor plante, a preparat o suspensie coloidală din polen în apă. Brown a observat în câmpul microscopic că polenul din suspensie manifestă o mișcare complet dezordonată și continuă. Fenomenul pus în evidență de Brown a fost denumit mișcare browniană și se poate defini în felul următor:

Definiţie

Mișcare browniană reprezintă mișcarea continuă și complet dezordonată a unor particule solide aflate în suspensie într-un fluid (lichid sau gaz).

Mișcarea browniană se intensifică odată cu creșterea temperaturii amestecului, cu cât particulele solidului sunt mai mici și cu cât lichidul este mai puțin vâscos(curge ușor).

Mișcarea particulelor unui corp nu apare numai în cazul suspensiilor. Ea este prezentă în orice substanță, astfel s-a definit agitația termică.

Definiţie

Agitația termică este mişcarea dezordonată şi continuă a particulelor unei substanţe (atomi sau molecule).

Observaţie

Creșterea temperaturii conduce la o creștere a vitezei de mișcare a moleculelor și de aceea a căpătat numele de agitație termică.

De la microcosmos (particulele cele mai mici ale substanțelor) până la macrocoscos (mișcarea galaxiilor din Univers), totul este într-o continuă mișcare. Dacă această mișcare ar înceta, ar însemna moartea întregului Univers.

Definiţie

Difuzia este fenomenul de pătrundere a moleculelor unui corp printre moleculele altui corp, fără intervenţia unei forţe exterioare (de la sine).

Fenomenul de difuzie apare în toate stările de agregare ale corpurilor, fiind mai accentuată la gaze și la lichide.

Observaţie

Difuzia și mișcarea browniană sunt dovezi ale agitației termice. Răspândirea mirosului de parfum sau de acetonă într-o cameră când se scoate dopul sticluţei, se explică tot prin difuzia moleculelor.



Experiment

2. Difuzia depinde de temperatură

Materiale necesare: un pahar transparent, apă rece cu cuburi de gheață, spirtieră, trepied cu sită de azbest, cerneală.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Pune într-un pahar apă rece (dacă ai şi câteva cuburi de gheaţă, adaugă-le în apa rece) şi picură o picătură de cerneală (acuarelă).
  • Urmăreşte modul în care se împrăştie cerneala în apa rece.
  • Pune paharul pe o sită de azbest și un trepied și încălzește amestecul, la flacăra spirtierei. Observă cum se împrăștie cerneala în apa caldă.
Observaţie

Cerneala turnată în apă rece se împrăştie foarte lent în aceasta.

Cerneala picurată în apa caldă se amestecă foarte repede cu apa.

Concluzia experimentului:

  • Viteza cu care două lichide difuzează (se amestecă de la sine) creşte odată cu creşterea temperaturii lichidelor, datorită creşterii energiei interne a moleculelor.

  • Viteza difuziei depinde și de stările de agregare ale corpurilor.

  • Gazele se amestecă foarte repede, lichidele ceva mai încet și solidele foarte greu (dacă punem două plăcuțe de metale diferite în contact, de abia după câteva luni, ele se sudează).



I.2. Temperatura - mărime de stare.

Experiment

3. Echilibrul termic

Materiale necesare: vas metalic, sursă de încălzire, un borcan de 800g (mare),o sticluţă sau un borcănel care să încapă în borcanul mare, două termometre (pot fi și de cameră), cronometru.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Pune apă rece de la robinet în borcanul mai mic şi măsoară-i temperatura inițială : T1 = .......... °C,
  • Încălzeşte separat apă, apoi pune-o în borcanul mai mare și măsoară-i temperatura : T2 = …….. °C
  • Pune borcanul mic cu apa rece în borcanul mai mare cu apa caldă și în fiecare pune câte un termometru. Pornește cronometrul.
  • Urmăreşte indicaţiile termometrului până când acesta rămâne la aceeaşi temperatură, pe care o notezi cu Te = ......... °C. Trece temperaturile celor două ape în următorul tabel:
  • Realizează graficul dependenței temperaturilor apei reci, respectiv calde în funcție de timp.
Observaţie

Apa rece își mărește temperatura, iar apa caldă își micșorează temperatura, până ajung la aceeași temperatură.

Două corpuri cu temperaturi diferite, puse în contact termic, după un anumit timp, ajung să aibă aceeași temperatură (numită temperatură de echilibru = Te), adică să fie în echilibru termic.

important

Temperatura este o mărime fizică de stare, care descrie starea termică a unui corp la un anumit moment de timp, măsurată cu termometru.

În 1848, fizicianul britanic William Thomson (lord Kelvin) a propus o scară de temperatură care să nu depindă de nicio substanță, numită scară absolută, care a fost aleasă ca unitate de măsură în Sistemul Internațional. Scara Kelvin nu are temperaturi negative.

La temperatura de zero absolut (0 Kelvin= - 273°C), mișcarea termică încetează.

În 1742 fizicianul suedez Anders Celsius a propus o scară de temperatură pentru termometrul cu mercur, numită scara Celsius care are două repere :

  • Temperatura de topire a gheții de 0°C, la presiune normală.
  • Temperatura de fierbere a apei de 100°C, la presiune normală.


Relația dintre scara Kelvin și scara Celsius:

Observaţie

Folosim simbolul T pentru temperatura exprimată în Kelvin, pentru scara Celsius folosim simbolul t.

Scara Fahrenheit a fost propusă în 1724 de către fizicianul Daniel Gabriel Fahrenheit. Fahrenheit este o scară de temperatură utilizată în cadrul sistemului anglo-saxon de unități de măsură. Gradul Fahrenheit, notat cu °F, este unitatea de măsură a temperaturii (tF).

Relația de transformare între scara Celsius t(°C) și Fahrenheit tF (°F):

Problemă model

1. Transformă o temperatură de 40°C în Kelvin și grade Fahrenheit.

Rezolvare:



I.3. Căldura - mărime de proces.

Atingerea stării de echilibru termic se poate explica astfel: când punem un corp mai rece în contact cu un alt corp mai cald între ele are loc un transfer de energie astfel:

  • Corpul mai cald transferă energie corpului mai rece și corpul mai rece primește energie de la corpul mai cald.

  • Prin ciocnirea moleculelor celor două corpuri se realizează un transfer de energie de la moleculele cu energie cinetică mai mare (care au temperatura mai mare) spre cele cu energie cinetică mai mică.

  • Corpul mai rece se încălzește, iar cel mai cald se răcește.

  • Transferul de energie încetează când corpurile ajung la echilibru termic, adică la aceeași temperatură.


Pentru a măsura acest transfer de energie s-a introdus o mărime fizică, numită căldură.

Definiţie

Căldura (simbolul Q) este o mărime fizică care măsoară energia transferată, numai prin mișcarea dezordonată a moleculelor dintre două corpuri aflate în contact termic.

Fiind un transfer de energie, căldura are aceeaşi unitate de măsură în Sistemul Internațional ca și energia și lucrul mecanic:

important

Căldura este o mărime de proces, adică ea măsoară transferul de energie dintre două stări termice diferite, care are loc într-un interval de timp.

Observaţie

Nu putem spune că într-o anumită stare corpul are o anumită căldură. Într-un anumit proces corpul poate ceda sau poate primi căldură.

O altă unitate de măsură, derivată, pentru căldură este caloria:

1cal = 4,18J



I.4. Formele de propagare ale căldurii.

important

Căldura se transmite (se propagă) de la un corp la altul prin trei forme: conducție, convecție și radiație termică.

I.4.1 Conducția termică.

Experiment

4. Ce este conducția termică?

Materiale necesare: sârmă metalică, spirtieră,chibrit, lumânare, piuneze.

Descrierea experimentului:

  • Aprinde o lumânare şi înclinând-o puţin, acoperă cu bobiţe de ceară, din loc în loc jumătate din bagheta metalică și cât timp ceara nu s-a solidificat (întărit) pune câte o piuneză pe fiecare bobiță de ceară.
  • Prinde bagheta metalică cu ajutorul unui cleşte şi ţine în flacăra spirtierei capătul sârmei care nu este ceruit.
Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

  • Observă ordinea în care se topesc bobiţele de ceară.
Observaţie

Bobiţele de ceară se topesc începând de la mijlocul baghetei până la capătul neîncălzit.

Concluzia experimentului:

Prin bagheta de metal căldura trece foarte repede de la un capătul încălzit la cel neîncălzit.

Definiţie

Conducţia termică (termoconductibilitatea) reprezintă propagarea căldurii prin metale, din aproape în aproape, de la capătul încălzit spre cel neîncălzit, fără deplasare de substanţă.



Experiment

5. Conductoare şi izolatoare termice

Materiale necesare: o cană cu apă fierbinte, corpuri din diferite materiale (linguriţă metalică, lingură de lemn, lingură de plastic etc.).

Descrierea experimentului:

  • Pune într-o cană lingurile din materiale diferite.
  • Toarnă în cană apă fiartă.
Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

  • După câteva minute apreciază prin pipăire starea de încălzire a cozii fiecărei linguri.
Observaţie

Dintre toate corpurile numai bagheta metalică s-a încălzit considerabil.

Concluzia experimentului:

Corpurile solide conduc mai mult sau mai puţin căldura.

Definiţie

Dintre solide numai metalele sunt bune conductoare de căldură, numindu-se termoconductoare sau conductoare termice.

Celelalte solide (de exemplu: sticla, plasticul, cauciucul, lemnul, ebonita, porţelanul etc.) sunt corpuri rău conductoare de căldură (termoconductibilitate redusă) numindu-se termoizolatoare sau izolatoare termice.

Aplicaţii în viaţa de zi cu zi

Pentru încălzirea apei sau a altor produse se folosesc cazane din cupru sau fontă, deoarece acestea sunt termoconductoare. În schimb mânerul fierului de călcat, al oalelor, al uşiţei de la sobă se confecţionează din ebonită sau porţelan, deoarece acestea sunt termoizolatoare. Tot aşa se explică de ce atunci când atingem diferite obiecte din cameră, avem impresia că unele obiecte sunt mai reci decât altele. Obiectele metalice par mai reci decât acelea din materiale rău conductoare de căldură, cu toate că, fiind în aceeaşi cameră au aceaşi temperatură. De fapt obiectele metalice permit răspândirea unei părţi din căldura mâinii noastre prin ele, dându-ne impresia că sunt mai reci.

După ce ne-am convins că dintre solide, numai metalele sunt conductoare, urmează întrebarea: lichidele și gazele sunt conductoare sau izolatoare termice?



Experiment

6. Apa este izolatoare termică

Materiale necesare: o eprubetă cu apă, spirtieră, chibrit.

Descrierea experimentului:

  • Pune într-o eprubetă apă (cam jumătate din eprubetă).
  • La flacăra unei spirtiere încălzeşte apa din eprubetă, la suprafața apei, ţinând eprubeta cu mâna de partea de jos şi îndreptată cu gura în partea opusă a ta.
Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Observaţie

După puţin timp apa de la suprafaţă începe să fiarbă, în timp ce în partea de jos, apa este rece.

Concluzia experimentului:

  • Apa este rău conductoare de căldură.
  • Toate lichidele (cu excepţia mercurului, care este metal) sunt izolatoare termice.
important

Încălzirea uniformă a lichidelor şi gazelor are loc prin convecţie, cu ajutorul curenţilor (deplasare de substanţă).



Experiment

7. Aerul este izolator termic

Materiale necesare: spirtieră, o eprubetă, chibrit.

Descrierea experimentului:

  • Ia eprubeta goală (adică cu aer) şi introdu la capătul deschis al eprubetei un deget al mâinii.
  • Încălzeşte-o la partea închisă în flacăra spirtierei, agitând-o continuu pentru a nu se sparge.
Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Observaţie

Degetul din eprubetă nu simte deloc căldura.

Concluzia experimentului:

  • Aerul este rău conductor de căldură.
  • În general toate gazele sunt izolatoare termice, dar mai ales gazele rarefiate.
important

Încălzirea uniformă a lichidelor şi gazelor are loc prin convecţie, cu ajutorul curenţilor (deplasare de substanţă).

Aplicaţii în viaţa de zi cu zi

Fibrele hainelor de lână, blana animalelor, penele păsărilor, zăpada sunt izolatoare termice deoarece conţin aer. Iarna când este ger afară păsările își înfoaie penele pentru a reține cât mai mult aer iar căldura corporală a unei păsări încălzeşte aerul dintre pene. Cu cât adună mai mult aer, cu atât se încălzeşte mai bine pasărea.

Aplicaţii în viaţa de zi cu zi

Geamurile termopane sunt bune pentru a opri transferul de căldură cu exteriorul. Combinația celor doua plăci de sticlă și spațiul cu aer dintre ele pot furniza o izolare termică și fonică foarte bună.

Aplicaţii în viaţa de zi cu zi

Termosul este un vas care păstrează lichidele (ceai, cafea, lapte etc.) în stare caldă sau rece, aproximativ exact la fel ca atunci când le introducem în el. Termosul are pereţi dubli, aerul dintre pereţi fiind extrem de rarefiat.



I.4.2. Convecția termică.

Experiment

8. Ce este convecția termică ?

Materiale necesare: vas de sticlă pentru convecție (eprubetă), cristale colorate (permanganat de potasiu) sau rumeguș, suport, spirtieră, chibrit.

Descrierea experimentului:

  • Pune apă în vasul special și adaugă câteva cristale de permanganat de potasiu.
  • Încălzeşte apa de la fundul vasului la flacăra unei spirtiere.
Atenţie

Acest experiment se efectuează numai de către profesori!

  • Observă cum are loc încălzirea apei din vas, urmărind mişcarea cristalelor colorate.
Observaţie

Cristalele încep să se dizolve în apă, punând în evidență formarea curenților de apă, prin urcarea apei de la fund și coborârea apei de la suprafață, până la uniformizarea culorii.

Definiţie

Convecția termică (denumire ce înseamnă „ transport”) este propagarea căldurii în lichide și gaze, prin formarea curenților de convecție, adică cu deplasare de substanță.

Explicația formării curenţilor de apă:

  • Stratul de apă de la fundul vasului, fiind direct în flacără, se încălzeşte şi se dilată, mărindu-şi volumul. Deoarece densitatea unui corp este invers proporţională cu volumul acestuia (ρ = m/V), densitatea apei de la fundul vasului se micşorează astfel încât, devenind mai uşoară, ea va urca la suprafaţă. Apa de la suprafaţă, fiind rece, are densitatea mai mare şi va coborî.
  • Procesul se repetă până la încălzirea uniformă a apei. În toate lichidele și gazele căldura se propagă prin curenţi, adică prin convecţie.


Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!


Experiment

9. Curenţii de aer

Materiale necesare: lumânare, chibrit, coală de hârtie, foarfece, ac, ață.

Descrierea experimentului:

  • Desenează o spirală pe foaie și decupeaz-o cu foafecele.
  • Agață de un fir spirala.

  • Aprinde lumânarea și vino cu spirala deasupra flăcării candelei, la o distanță de cel puțin 10cm.

Atenţie

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu obiecte ascuțite! Ai grijă să nu te arzi și să nu aprinzi spirala de hârtie!

  • Ce observi?
Observaţie

Spirala începe să se rotească.

Concluzia experimentului:

Aerul cald de deasupra flăcării, având densitate mai mică (este mai ușor) urcă spre spirală, iar aerul rece de sus( care este mai departe de flacără) are densitatea mai mare și coboară. Astfel iau naștere curenți de aer care rotesc spirala continuu.

Așa explicăm și încălzirea unei camere de la calorifer. Aerul de lângă calorifer se încălzește, devine mai ușor și se ridică. Aerul de sus , fiind mai rece și mai greu va coborî. Așa se formează curenții de aer, care duc la încălzirea uniformă a camerei.

Problemă model

1. Te afli într-o cameră încălzită și afară este foarte frig. Deschizi uşa unei camere încălzite spre un balcon şi aşezi la pragul de jos lumânarea aprinsă.

Cum este îndreptată flacăra lumânării: spre interiorul camerei sau spre exteriorul ei ?

Răspuns corect: spre interior.

Problemă model

2. Aşază lumânarea aprinsă la pragul de sus al uşii.

Cum este îndreptată flacăra lumânării: spre interiorul camerei sau spre exteriorul ei ?

Răspuns corect: spre exterior.

Aerul cald (are densitatea mai mică, deci mai uşor și stă sus într-o cameră) iese prin partea de sus a uşii și îndreaptă flacăra spre exterior.

Aerul rece (are densitatea mai mare, deci este mai greu- stă jos într-o cameră) intră prin partea de jos și îndreaptă flacăra spre interior.

Prin urmare cu ajutorul unei lumânări ne putem da seama dacă temperatura aerului din cameră este mai mare decât temperatura aerului din exterior. Când aceste temperaturi devin egale, curenţii de aer nu se mai formează.

I.4.3. Radiația termică.

Experiment

10. Ce este radiația termică ?

Materiale necesare: spirtieră, termometru, paravan de carton.

Descrierea experimentului:

  • Aşază lumânarea astfel încât flacăra sa să fie pe aceeaşi linie cu orificiul din paravan și cu rezervorul termometrului.
Atenţie

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Ai grijă să nu te arzi și să nu dai foc la carton!

  • Ce observi? Crește temperatura termometrului?
Observaţie

În scurt timp temperatura termometrului se ridică cu câteva grade.

  • Aşază lumânarea astfel încât flacăra sa, orificiul paravanului şi rezervorul termometrului să nu fie pe aceeaşi linie (mai sus sau mai jos).
  • Ce observi? Crește temperatura termometrului?
Observaţie

Temperatura termometrului se modifică foarte puțin.

Definiţie

Radiaţia termică (numită și radiație infraroșie) este propagarea căldurii de către corpurile calde, în linie dreaptă, prin raze (radiaţie însemnând prin raze).

Observaţie

Soarele este principala sursă de radiație termică pe Pământ. Prin urmare radiația se propagă și în vid. Radiația infraroșie este un tip de radiație electromagnetică ca și lumina, undele radio, radiația ultavioletă, razele X sau microundele. Lumina infraroșie este invizibilă ochiului uman, însă oamenii o pot simți ca și căldură. Nu sta la soare la orele prânzului, deoarece radiația infraroșie îți va produce arsuri și insolație. Stai la plajă dimineața și spre seară cănd soarele emite ultraviolete care te vor bronza.


Experiment

11. Radiația termică și culorile

Materiale necesare: două flacoane identice, apă rece de la robinet, folii de plastic alb şi negru (tempera albă şi neagră), un termometru de cameră, spirtieră sau o lumânare (dacă este o zi însorită , aşază flacoanele la soare).

Descrierea experimentului:

  • Înveleşte un flacon în punga de plastic de culoare neagră (îl poţi colora cu tempera neagră) şi pe celălalt în folie de plastic alb (dacă este deja alb, lasă-l aşa).
  • Ia apă de la robinetul de apă rece, măsoară-i temperatura cu termometru de cameră.
  • Toarnă aceeaşi cantitate de apă rece de la robinet în fiecare flacon.
  • Lasă 30 minute cele două flacoane în bătaia razelor solare sau aşază-le de-o parte şi de alta la distanţe egale faţă de flacăra spirtierei.
Atenție

Atenţie când lucrezi cu surse de foc!

  • Măsoară temperaturile apei din cele două flacoane, după 30 de minute (dacă nu ai termometru, poți pune un deget în apa din fiecare flacon).

  • Ce observi?

Observaţie

Apa din flaconul negru are temperatura mai mare decât cea din flaconul alb.

Concluzia experimentului:

  • Radiaţiile solare sunt absorbite de către corpurile negre aproape în totalitate, pe când cele albe împrăştie circa 50% din radiaţiile ce cad pe ele.
  • Iarna trebuie să purtăm haine de culoare închisă, deoarece ele absorb radiaţia solară, fiind călduroase.
  • Vara trebuie să purtăm haine de culoare deschisă, deoarece ele reflectă radiația solară, fiind răcoroase.

Aplică ce ai învăţat!

Temă

1. Privește imaginea următoare și descoperă formele de propagare ale căldurii.

  • Ibricul cu apă se încălzește de la flacăra aragazului prin ……………………
  • Coada metalică a ibricului se încălzește prin ……………………………….
  • Apa din ibric se încălzește prin ……………………………………………..


I.5. Motorul termic.

Încă din veacul al doilea î.e.n. Heron din Alexandria cunoştea forţa de expansiune a vaporilor şi a construit chiar o turbină cu reacţie. Invenţia lui nu a avut succes datorită faptului că nu avea aplicaţii în practică.

Abia în 1707 Demis Papiui construieşte o maşină cu vapori pe care o instalează pe o corabie. Principiul de funcţionare era următorul: apa fierbea într-un cazan închis şi vaporii treceau într-un cilindru care împingea un piston; mişcarea alternativă a pistonului era comandată manual prin deschiderea şi închiderea unor robinete.

Mai târziu, în anul 1765, scoţianul James Watt perfecţionează motorul cu aburi, dându-i forma definitivă sub care funcţionează şi astăzi.

Un alt motor termic este motorul Diesel cu motorină, apărut în 1900, în Germania şi a fost inventat de Rudolf Diesel.

Invenția motorului cu ardere internă cu piston, în patru timpi, cu aprindere prin scânteie, pe scurt motorul pe benzină, este atribuita lui Nicolaus Otto. Pentru propulsarea autovehiculelor cu roți se folosesc motoare cu ardere internă cu piston. Combustibilul arde în interiorul motorului și degajă căldură, care este transformată în lucru mecanic.

Definiţie

Motorul termic este un sistem care transformă căldura primită, prin arderea unui combustibilul (benzina, motorina, gazul metan etc.) în lucru mecanic.

Cuvântul motor provine din limba latina și înseamnă “care produce mișcare”.

Definiţie

Randamentul motorului termic ( η ) este o mărime fizică egală cu raportul dintre lucrul mecanic efectuat de motor (L) și căldura primită (Q).

Observaţie

Randamentul este o mărime adimensională (nu are unitate de măsură, deoarece J/J se simplifică) și se exprimă sub formă de procente.

Motoarele cu benzina ating randamente de aproximativ 30%, in timp ce motoarele Diesel se bucura de o eficiență de 40%.



I.6. Coeficienți calorici.

Experiment

12. De cine depinde căldura absorbită de un corp ?

Materiale necesare: două pahare Berzelius, apă rece de la robinet, spirtieră, sită de azbest, trepied, termometru, cronometru, ulei.

A) Care apă absoarbe mai multă căldură, 50g sau 100g?

Descrierea experimentului:

  • Pune într-un pahar 50g de apă și introdu în apă un termometru. Încălzește la flacăra unei spirtiere, apa prin intermediul sitei de azbest de pe trepied.
Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

  • Cronometrează timpul în care 50g apă și-a mărit temperatura cu 10°C: t1 = 39 s.

  • Pune într-un pahar 100g de apă și introdu în apă un termometru. Încălzește la flacăra unei spirtiere, apa prin intermediul sitei de azbest de pe trepied.

  • Cronometrează timpul în care 100g apa și-a mărit temperatura cu 10°C: t2 = 48,6 s.

  • Depinde căldura absorbită de masa corpului ?

Cu cât tipul de încălzire este mai mare, cu atât și căldura absorbită este mai mare.

Observaţie

100g apă absoarbe mai multă căldură decât 50g apă.

Concluzia experimentului:

  • Căldura primită/cedată de un corp în procesul de încălzire/răcire este direct proporțională cu masa corpului Q ~ m.

B) Depinde căldura absorbită de variația temperaturii?

Descrierea experimentului:

  • Cronometrează timpul în care 100g apa și-a mărit temperatura cu 20°C: t3 = 2min3s. Compară cu timpul în care tot 100g apă și-a mărit temperatura cu 10°C.

  • Depinde căldura absorbită de variația temperaturii corpului ?

Observaţie

100g apă absorbe mai multă căldură pentru a-și mări temperatura cu 20°C, decât 100g apă pentru a-și mări temperatura cu 10°C.

Concluzia experimentului:

  • Căldura primită/cedată de un corp în procesul de încălzire/răcire este direct proporțională cu variația temperaturii corpului Q ~ ΔT.

C) Depinde căldura absorbită de substanța corpului?

Descrierea experimentului:

  • Pune 100g ulei într-un pahar Berzelius și introdu în ulei termometru.

  • Măsoară temperatura inițială a uleiului care trebuie să fie aceeași cu cea a apei (30°C).

  • Cronometrează timpul în care uleiul și-a mărit temperatura cu 20°C: t4 = 46,55 s. Compară cu timpul în care 100g apă și-a mărit temperatura cu 20°C.

  • Depinde căldura absorbită de substanța din care este alcătuită corpul ?

Observaţie

100g apă absorbe mai multă căldură decât 100g ulei, pentru a-și mări temperatura cu 20°C.

Concluzia experimentului:

  • Căldura primită/cedată de un corp în procesul de încălzire/răcire depinde de natura substanței. Deci se poate defini o constantă de material numită căldură specifică, notată cu c.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Deci căldura primită/cedată de un corp la încălzire/răcire depinde direct proporțional de trei factori, care apar în formula căldurii.

Definiţie

Căldura primită/ cedată de un corp(Q) în procesul de încălzire/ răcire are următoarea formulă:

m = masa corpului

c = căldura specifică (constantă de material, specifică fiecărei substanțe)

ΔT = variația temperaturii corpului (adică, cu cât crește/ scade temperatura lui)

Definiţie

Coeficienții calorici reprezintă mărimile fizice care caracterizează schimbul de căldură dintre sistemele termodinamice.

Printre cei mai importanți avem:

  • Căldura specifică (c);
  • Capacitatea calorică (C).

I.6.1. Căldura specifică.

Definiţie

Căldura specifică(c) reprezintă mărimea fizică ce caracterizează căldura absorbită /cedată de 1kg de substanță pentru a-și mări /micșora temperatura cu un grad.

Căldura specifică este o constantă de material și o găsim în tabelul cu constante de la sfârșitul acestui capitol.

Observaţie

Căldurile specifice pot avea valori diferite pentru aceași substanță dacă aceasta se găsește în stări de agregare diferite.

capă ≠ cgheaţă


I.6.2. Capacitatea calorică.

Definiţie

Capacitatea calorică (C) – reprezintă mărimea fizică ce caracterizează cantitatea de căldură necesară sistemului termodinamic pentru a-și varia temperatura cu un grad.

Observaţie

Sistemul termodinamic poate reprezenta un calorimetru sau un vas, în care schimbul de căldură este permis doar între corpurile introduse. Capacitatea calorică a unui calorimetru este înscrisă pe vasul respectiv la fabricația acestuia.


Experiment

13. Calcularea căldurii specifice a unui corp solid

Materiale necesare: apă rece de la robinet, sită de azbest, stativ, trepied, termometru, calorimetru (vas care izolează termic corpurile din interiorul său de cele din exterior) , cilindru de cupru, pahar Berzelius, spirtieră, cârlig.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Măsoară cu cântarul masa apei: m1 = 100g = 0,1kg.
  • Măsoară cu termometrul temperatura apei: t1 = 30°C .
  • Măsoară cu cântarul masa cilindrului de cupru: m2 = 78 g = 0,078 kg
  • Încălzește apă într-un pahar Berzelius cu ajutorul spirtierei și a trepiedului cu sită.
  • În apa caldă pune cilindrul de cupru și termometrul. Lasă-le câteva minute și apoi citește temperatura cilindrului de cupru încălzit: t2 = 90°C.
  • Pune în calorimetru apa rece cântărită.
  • Cu cârligul metalic ia corpul din pahar și pune-l rapid în apa din calorimetru.
  • Acoperă calorimetrul și agită ușor apa din el.
  • Urmărește indicațiile termometrului până când temperatura nu se mai modifică. Aceasta este temperatura de echilibru, notată cu te = 35°C, care reprezintă temperatura finală pentru toate corpurile aflate în contact termic.
Observaţie

Apa rece va primi căldură, iar cilindrul de cupru este corpul cald, care cedează căldură.

  • Neglijăm capacitatea calorică a calorimetrului, pentru simplificarea calculelor.

  • Δt1 = te – t1 = variația (creșterea) temperaturii apei (scădem temperatura finală din cea inițială).

  • Δt2 = t2 – te = variația (scăderea) temperaturii cilindrului (scădem temperatura inițială din cea finală , astfel încât variația temperaturii să fie tot timpul pozitivă).

  • Scriem ecuația calorimetrică : Qcedată = Qprimită

    • Qprimită = m1 ∙ c1 ∙ Δt1 = m1 ∙ c1 ∙ (te – t1)

    • Qcedată = m2 ∙ c2 ∙ Δt2 = m2 ∙ c2 ∙ (t2 – te)

    • m1 ∙ c1 ∙ (te – t1) = m2 ∙ c2 ∙ (t2 – te)

  • Obţinem formula pentru determinarea căldurii specifice a cuprului:
  • Înlocuim în formulă valorile din experimentul nostru:


Concluzia experimentului:

Comparăm cu căldura specifică a cuprului din tabel (385 J/kg∙K) și observăm că valoarea experimentală este destul de departe de valoarea reală. Ca surse de erori am descoperit : citiri neatente ale temperaturilor corpurilor, a durat cam mult timp până am închis capacul calorimetrului, calorimetru nu izolează perfect corpurile din interior față de cele din exterior, am realizat decât o singură determinare, nu am luat în calcul și capacitatea calorimetrului.

Observaţie

În cazul sistemelor neomogene de corpuri, ca în cazul acestui experiment, este necesar să cunoaștem temperaturile inițiale ale corpurilor din sistem, masele lor și căldurile lor specifice. Astfel vom putea ști evoluția termică a acestui sistem de corpuri.

Problemă model

1. În 20g de glicerină cu căldura specifică de 2400 J/Kg∙K se pune 50 g fier la temperatura de 90°C și căldura specifică de 450 J/Kg∙K. Știind temperatura de echilibru de 50°C, află temperatura inițială a glicerinei.

Rezolvare

  • Înainte de a scrie datele problemei, se stabilește corpul rece, respectiv cel cald:

    • Corp 1: glicerină : rece =˃ primește căldură: Qprimită

    • Corp 2: fier : cald =˃ cedează căldură: Qcedată

  • Scriem datele problemei, punând indice 1 la datele despre glicerină și indice 2 la datele despre fier. Transformăm mărimile din date în SI, cu excepția temperaturii, deoarece diferența dintre două temperaturi în grade Celsius este egală cu diferența temperaturilor în Kelvin.

    • m1 = 20g = 0,02 kg

    • c1 = 2400 J/kg∙K

    • m2 = 50g = 0,05 kg

    • t2 = 90°C

    • c2 = 450 J/kg∙K

    • te = 50°C

    • t1 = ?

  • Calculăm căldura primită:

    • Qprimită = m1 ∙ c1 ∙ Δt1 = 0,02 ∙ 2400 ∙ (te – t1) = 2 ∙ 24 ∙ (50 - t1)
  • Calculăm căldura cedată:

    • Qcedată = m2 ∙ c2 ∙ Δt2 = 0,05 ∙ 450 ∙ (t2 – te) = 0,05 ∙ 450 ∙ (90 – 50) = 900 J
  • Scriem ecuația calorimetrică : Qcedată = Qprimită

    • m2 ∙ c2 ∙ (t2 – te) = m1 ∙ c1 ∙ (te – t1)
  • Înlocuim datele problemei și facem calculele matematice :

    • 900 = 48 ∙ 50 - 48 ∙ t1
    • 48 ∙ t1 = 2400 - 900
    • 48 ∙ t1 = 1500
    • t1 = 31,25 °C
Problemă model

2. Într-un calorimetru a cărui capacitate calorică este 80 J/kg, se pune 200g apă la temperatura de 10°C. În apa din calorimetru se introduce un corp de aluminiu care cântărește 100g, cu temperatura de 100°C. Care este temperatura finală a celor două corpuri ? Se dau căldurile specifice: a apei de 4185 J/kg∙K și a aluminiului 880 J/kg∙K. Capacitatea calorică a calorimetrului este C = 80 J/kg.

Rezolvare

  • Înainte de a scrie datele problemei, se stabilește corpul rece, respectiv cel cald:

    • Corp 1: apa și calorimetrul : rece =˃ primește căldură: Qprimită

    • Corp 2: aluminiul : cald =˃ cedează căldură: Qcedată

  • Scriem datele problemei, punând indice 1 la datele despre apă și indice 2, la datele despre aluminiu. Transformăm mărimile din date în SI, cu excepția temperaturii, deoarece diferența dintre două temperaturi în grade Celsius este egală cu diferența temperaturilor în Kelvin.

    • C = 80 J/kg

    • m1 = 200g = 0,2 kg

    • T1 = 10°C

    • c1 = 4185 J/kg∙K

    • m2 = 100g = 0,1 kg

    • T2 = 100°C

    • c2 = 880 J/kg∙K

    • Te = ?

  • Calculăm căldura primită:

    • Qprimită = m1 ∙ c1 ∙ Δt1 + C ∙ Δt1 = (m1 ∙ c1 + C) ∙ (te – t1)
    • Δt1 = te – t1(apa are inițial 10°C, final te care este mai mare decât t1)
  • Calculăm căldura cedată:

    • Qcedată = m2 ∙ c2 ∙ Δt2 = m2 ∙ c2 ∙ (t2 – te)
    • Δt2 = t2 – te (aluminiul are inițial 100°C, final te care este mai mic decât t2)
  • Scriem ecuația calorimetrică : Qcedată = Qprimită

    • m2 ∙ c2 ∙ (t2 – te) = (m1 ∙ c1 + C) ∙ (te – t1)
  • Înlocuim datele problemei și facem calculele matematice :

    • (0,2 ∙ 4185 + 80) ∙ (te – 10) = 0,1 ∙ 880 ∙(100 – te)
    • (837 + 80) ∙ (te – 10) = 88 ∙(100 – te)
    • 917 ∙ (te – 10) = 88 ∙ (100 – te)
    • 917 ∙ te – 917 ∙ 10 = 88 ∙ 100 – 88 ∙ te
    • 917∙ te + 88 ∙ te = 88 ∙ 100 + 917∙10
    • 1005 ∙ te = 17970
    • te = 17970/(1005) = 17,88 °C
Problemă model

3. Corpul 1 este pus în contact termic cu corpul 2.

  • Care sunt temperaturile inițiale ale celor două corpuri și care este corpul rece, respectiv cald?

    • Rezolvare: T1 = 90°C (corpul 1 - cald) și T2 = 25°C (corpul 2 - rece).

  • Care este temperatura de echilibru ale celor două corpuri ?

    • Rezolvare: Te = 60°C.

  • După cât timp ajung corpurile la echilibru termic?

    • Rezolvare: După 5 min.




I.6.3. Sinteză recapitulativă - Fenomene termice Partea I

important

Agitația termică este mişcarea dezordonată şi continuă a particulelor unei substanţe (atomi sau molecule).

Creșterea temperaturii conduce la o creștere a vitezei de mișcare a moleculelor și de aceea a căpătat numele de agitație termică.

Difuzia este fenomenul de pătrundere a moleculelor unui corp printre moleculele altui corp, fără intervenţia unei forţe exterioare (de la sine).

Temperatura este o mărime fizică de stare, care descrie starea termică a unui corp la un anumit moment de timp, măsurată cu termometru.

Scara Kelvin (absolută) nu are temperaturi negative.

La temperatura de zero absolut (T = - 273°C), agitația termică se oprește.

Căldura (simbolul Q) este o mărime fizică care măsoară energia transferată, numai prin mișcarea dezordonată a moleculelor dintre două corpuri aflate în contact termic.

Fiind un transfer de energie, are aceeaşi unitate de măsură în Sistemul Internațional, ca și energia și lucrul mecanic:

Căldura este o mărime de proces, adică ea măsoară transferul de energie dintre două stări termice diferite, care are loc într-un interval de timp.

Căldura se transmite (propagă) de la un corp la altul prin trei forme: conducție, convecție și radiație termică.



Conducţia termică (termoconductibilitatea) reprezintă propagarea căldurii prin metale, din aproape în aproape, de la capătul încălzit spre cel neîncălzit, fără deplasare de substanţă.

Dintre solide numai metalele sunt bune conductoare de căldură, numindu-se termoconductoare sau conductoare termice.

Celelalte solide (de exemplu: sticla, plasticul, cauciucul, lemnul, ebonita, porţelanul etc.) sunt corpuri rău conductoare de căldură (termoconductibilitate redusă) numindu-se termoizolatoare sau izolatoare termice.



Convecția termică (denumire ce înseamnă „ transport”) este propagarea căldurii în lichide și gaze, prin formarea curenților de convecție, adică cu deplasare de substanță.

Explicația formării curenţilor de apă:

  • Stratul de apă de la fundul vasului, fiind direct în flacără, se încălzeşte şi se dilată, mărindu-şi volumul. Deoarece densitatea unui corp este invers proporţională cu volumul acestuia (ρ = m/V), densitatea apei de la fundul vasului se micşorează astfel încât, devenind mai uşoară, ea va urca la suprafaţă. Apa de la suprafaţă, fiind rece, are densitatea mai mare şi va coborî.
  • Procesul se repetă până la încălzirea uniformă a apei. În toate lichidele și gazele căldura se propagă prin curenţi, adică prin convecţie.


Radiaţia termică (numită și radiație infraroșie) este propagarea căldurii de către corpurile calde, în linie dreaptă, prin raze.

Observație: Soarele este principala sursă de radiație termică pe Pământ. Prin urmare radiația se propagă și în vid. Radiația infraroșie este un tip de radiație electromagnetică ca și lumina, undele radio, radiația ultavioletă, razele X sau microundele. Lumina infraroșie este invizibilă ochiului uman, însă oamenii o pot simți ca și căldură.

Radiaţiile solare sunt absorbite de către corpurile negre aproape în totalitate, pe când cele albe împrăştie circa 50% din radiaţiile ce cad pe ele.

Iarna trebuie să purtăm haine de culoare închisă, deoarece ele absorb radiaţia solară, fiind călduroase.

Vara trebuie să purtăm haine de culoare deschisă, deoarece ele reflectă radiația solară, fiind răcoroase.



Motorul termic este un sistem care transformă căldura primită, prin arderea unui combustibilul (benzina, motorina, gazul metan etc.) în lucru mecanic.

Randamentul motorului termic ( η ) este o mărime fizică egală cu raportul dintre lucrul mecanic efectuat de motor (L) și căldura primită (Q).

Randamentul este o mărime adimensională (nu are unitate de măsură, deoarece J/J se simplifică) și se exprimă sub formă de procente.

Căldura primită/ cedată de un corp(Q) în procesul de încălzire/ răcire are următoarea formulă:

m = masa corpului

c = căldura specifică (constantă de material, specifică fiecărei substanțe)

ΔT = variația temperaturii corpului (adică, cu cât crește/ scade temperatura lui)

Coeficienții calorici reprezintă mărimile fizice care caracterizează schimbul de căldură dintre sistemele termodinamice.

Printre cei mai importanți avem:

  • Căldura specifică (c);
  • Capacitatea calorică (C).

Căldura specifică(c) reprezintă mărimea fizică ce caracterizează căldura absorbită /cedată de 1kg de substanță pentru a-și mări /micșora temperatura cu un grad.

Căldura specifică este o constantă de material și o găsim în tabelul cu constante de la sfârșitul acestui capitol.

Căldurile specifice pot avea valori diferite pentru aceași substanță dacă aceasta se găsește în stări de agregare diferite.

capă ≠ cgheaţă


Capacitatea calorică (C) – reprezintă mărimea fizică ce caracterizează cantitatea de căldură necesară sistemului termodinamic pentru a-și varia temperatura cu un grad.



I.6.4. Probleme rezolvate - Fenomene termice Partea I

Probleme rezolvate - Fenomene termice Partea I

1) Graficul dependenței căldurii absorbite pentru două corpuri diferite, cu aceeași masă și aceeași temperatură inițială (T0), este reprezentat în figura de mai jos. Care dintre cele două corpuri, 1 și 2, are căldura specifică mai mare ?



Rezolvare:

  • Scriem datele problemei:
    • T01 = T02 (ambele corpuri au aceeași temperatură inițială)
    • T1 < T2 (corpul 1 are temperatura finală mai mare decât corpul 2)
    • Q1 = Q2 = Q (ambele corpuri primesc aceeași căldură, conform graficului)
    • m1 = m2 = m
    • c1 ? c2
  • Scriem formula căldurii în funcție de căldura specifică pentru cele două corpuri din substanțe diferite:
Probleme rezolvate - Fenomene termice Partea I

2) Ce temperatură trebuie să aibă o cantitate de apă rece care, amestecată cu 2 kg de apă caldă la temperatura de 90°C să se obțină 3 kg apă cu temperatura de 70°C ?

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei, notând cu indice 1 datele despre apa rece și cu indice 2 cele despre apa caldă:
    • T1 =?
    • m2 = 2 kg
    • mamestec = 3 kg
    • T2 = 90°C
    • Te = 70°C
    • c1 = c2 = c (au aceeași substanță)

  • Calculăm cantitatea de apă rece:
    • m1 + 2 = 3
    • m1 = 1 kg

  • Calculăm căldura primită de apa rece (Qp), respectiv căldura cedată de apa caldă (Qc):
    • Qp = m1 ∙ c ∙ ΔT1 = 1 ∙ c ∙ (Te – T1) = c ∙ (70 – T1)
    • Qc = m2 ∙ c ∙ ΔT2 = 2 ∙ c ∙ (T2 – Te) = c ∙ (90 – 70) = c ∙ 20

  • Scriem ecuația calorimetrică și scoatem necunoscuta:
    • Qp = Qc
    • c ∙ (70 – T1) = c ∙ 20
    • 70 – T1 = 20
    • T1 = 50°C
Probleme rezolvate - Fenomene termice Partea I

3) De ce iarna zăpada protejează culturile agricole de îngheț?

Rezolvare:

Zăpada izolează termic culturile agricole datorită punguțelor de aer dintre cristalele de gheață și care împiedică împrăștierea în aer a căldurii solului.

Probleme rezolvate - Fenomene termice Partea I

4) Care este secretul unei sere de a cultiva iarna fructe și legume?

Rezolvare:

O seră (solar) este o construcție specială cu acoperiș și cu pereți din sticlă sau din material plastic pentru adăpostirea și cultivarea plantelor care nu suportă frigul în perioada rece a anului. Sticla lasă să treacă lumina Soarelui prin ea, dar fiind izolatoare termică, nu lasă să iasă căldura radiației termice.

Probleme rezolvate - Fenomene termice Partea I

5) Unde trebuie plasat un termometru de exterior pentru a măsura corect temperatura aerului?

Rezolvare:

Termometrul trebuie așezat la umbră (pentru a nu fi încălzit prin radiație termică) și la adăpost de vânt (curenții de aer pot influența evaporarea apei din aer conducând la o scădere a temperaturii aerului).

Probleme rezolvate - Fenomene termice Partea I

6) Căldura cedată de 100 g apă care se răcește cu 40°C este suficientă pentru a încălzi 100 g cupru cu 40°C ? Se dau căldura specifică a apei 4180 J/kg∙K și cea a cuprului de 385 J/kg∙K.

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei, notând cu indice 1 datele despre apă și cu indice 2 cele despre cupru:
    • Q1 =?
    • Q2 =?
    • m1 = 100 g = 0,1 kg
    • m2 = 100 g = 0,1 kg
    • ΔT1 = 40°C
    • ΔT2 = 40°C
    • c1 = 4180 J/kg∙K
    • c2 = 385 J/kg∙K

  • Calculăm căldura cedată de apă (Q1), respectiv căldura primită de cupru (Q2):
    • Q1 = m1 ∙ c ∙ ΔT1 = 0,1 ∙ 4180 ∙ 40 = 16.720 J
    • Q2 = m2 ∙ c ∙ ΔT2 = 0,1 ∙ 385 ∙ 40 = 1.540 J

  • Întrucât Q1 > Q2 , înseamnă că este suficientă căldura degajată de apă pentru a încălzi cuprul.


I.6.5. Exerciții recapitulative - Fenomene termice Partea I

Exerciții recapitulative - Fenomene termice Partea I

1) Care haină ne ține mai bine de cald, una căptușită cu puf sau una cu fibre de poliester?


2) Cum se încălzește aerul dintr-o cameră de la un calorifer electric?


3) De ce vara este preferabil să purtăm haine albe?


4) Difuzia este o consecință a agitației termice sau invers? Explică.


5) Când te parfumezi mirosul parfumului se împrăștie în toată camera. De ce?


6) De ce pereții de lângă calorifer sunt mai murdari decât ceilalți pereți din cameră?


7) Cât este capacitatea calorică a unui corp dacă atunci când cedează 200 J, el se răcește cu 10°C?


8) Cât este căldura specifică a unui corp de 46 g dacă atunci când primește 300 J, el se încălzește cu 50°C ? Despre ce substanță este vorba? Consultă tabelul cu constante fizice de la sfârșitul capitolului, I.15.


9) Se dă următoarea diagramă.

Răspunde la următoarele întrebări:

a) Câte corpuri cedează căldură și câte primesc căldură ?

b) Cât este temperatura lor de echilibru ?

c) După cât timp ajung corpurile la echilibru termic ?

d) Calculează variația temperaturii pentru fiecare corp.

e) Dacă C1 = 200 J/K și C2 = 100 J/K, cât este capacitatea calorică a corpului 3.


10) Căldura cedată de 400 g glicerină care se răcește cu 20°C este suficientă pentru a încălzi 800 g fier cu 80°C ? Se dau căldura specifică a glicerinei 2400 J/kg∙ K și cea a fierului de 450 J/kg∙K.



I.6.6. Test de autoevaluare - Fenomene termice Partea I

TEST1: Test de autoevaluare - Fenomene termice Partea I

1) Completează următoarele afirmații: 8 spații libere x 0,25p = 2p

a) Difuzia este fenomenul de ............................a particulelor unui corp printre particulele altui corp de la sine.

b) Agitația termică este .........................continuă și dezordonată a particulelor unui corp.

c) Conducția termică este propagarea căldurii prin..........................

d) Radiația termică este emisă de către.......................................................

e) Convecția termică este propagarea căldurii prin............................................

f) Unitatea de măsură în SI pentru temperatură este..................................

g) Convecția termică are loc prin deplasare de.............................

h) Radiația termică se transmite sub formă de ...........................


2) Două bare de aceeași lungime și aceeași grosime, una de cupru și cealaltă de sticlă, sunt ceruite și ținute în flacără unei spirtiere. La care se va topi cel mai repede bobița de ceară aflată la capătul neîncălzit? Explică. -1p


3) De ce o spirală de hârtie ținută deasupra unei flăcări începe să se rotească. -1p


4) De ce vara este de preferat să ne îmbrăcăm în haine albe și iarna în culori cât mai închise? -1p


5) Se dă următoarea diagramă.

Răspunde la următoarele întrebări:

a) Câte corpuri cedează căldură și câte primesc căldură? –0,25p

b) Cât este temperatura lor de echilibru? –0,25p

c) După cât timp ajung corpurile la echilibru termic? –0,25p

d) Calculează variația temperaturii pentru fiecare corp. –0,25p


6) Într-un calorimetru se pune 200 g alcool cu temperatura de 30°C și apoi se adaugă o bilă de plumb cu temperatura de 80°C. Știind temperatura lor de echilibru de 50°C, determină cât cântărește bila de plumb. Se dau căldura specifică a alcoolului 2430 J/kg∙K și cea a plumbului de 130 J/kg∙K. –2p


Oficiu –2p



I.7. Stările de agregare ale corpurilor

Experiment

14. Ce este un solid ?

Materiale necesare: vase de diferite forme, corp solid.

Descrierea experimentului:

  • Pune corpul în vasele de forme diferite și observă ce se întâmplă cu forma și volumul acestuia.
Observaţie

Corpul solid își păstrează forma și volumul, indiferent de vasul în care l-am introdus.

Definiţie

Corpurile solide au formă proprie (bine determinată) și volum propriu. Nu curg.


Experiment

15. Ce este un lichid ?

Materiale necesare: vase de diferite forme și gradate, apă colorată.

Descrierea experimentului:

  • Pune un anumit volum de apă într-un vas gradat și măsoară-i volumul.
  • Răstoarnă apa într-un alt vas gradat cu o formă diferită și observă ce se întâmplă cu forma și volumul apei în noul vas.
Observaţie

Apa își păstrează volumul, indiferent de vasul în care am introdus-o, dar își schimbă forma.Cum ar fi să pun într-o oală de 10L, 1L de lapte și oala să se umple cu lapte? Poate numai în lumea poveștilor!

Definiţie

Lichidele au volum propriu (bine determinat), dar nu au formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse). Curg (sunt fluide).


Experiment

16. Ce este un gaz ?

Materiale necesare: două pahare identice, lumânare tip candelă, chibrit, sită de azbest.

Descrierea experimentului:

  • Se introduce candela într-un pahar și se aprinde cu chibritul.
Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

  • Imediat se acoperă paharul cu sita de azbest pentru a menține fumul rezultat în pahar.
  • Se vine cu al doilea pahar , cu gura în jos peste sită și se trage sita, astfel încât fumul să intre și în paharul de deasupra. Observă ce se întâmplă cu forma și volumul fumului în noul vas.
Observaţie

Fumul (care este gaz) ocupă tot spațiul pus la dispoziție și ia forma noului vas.

Definiţie

Gazele nu au nici formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse) și nici volum propriu (ocupă tot volumul pus la dispoziție). Curg (sunt fluide).


Experiment

17. Compresibile sau incompresibile ?

Materiale necesare: un corp solid, apă, seringi.

Descrierea experimentului:

  • Introdu corpul solid în seringă, astupă cu un deget capătul seringii și apasă pistonul seringii pentru a micșora volumul solidului. Ai reușit ?
Observaţie

Nu putem mișca deloc pistonul seringii.

  • Umple seringa cu apă, astupă cu un deget capătul seringii și apasă pistonul seringii pentru a micșora volumul apei. Ai reușit ?
Observaţie

Nu putem mișca deloc pistonul seringii.

  • Trage aer în seringă, astupă cu un deget capătul seringii și apasă pistonul seringii pentru a micșora volumul aerului. Ai reușit ?
Observaţie

Putem mișca mult pistonul seringi, iar dacă îi dăm drumul, revine la poziția inițială. Aerul are și proprietăți elastice având drept aplicații obiectele pneumatice (saltele, colaci) și folosirea pneurilor la roți care amortizează șocurile.

Concluzia experimentului:

Numai gazele sunt compresibile (își pot micșora volumul la o presiune exterioară) , solidele și lichidele sunt incompresibile.

Cum explicăm proprietățile diferite ale corpurilor în cele trei stări de agregare ?

Aceste proprietăți sunt explicate pe baza structurii interioare a corpurilor și anume forțele intermoleculare (de atracție), respectiv distanțele intermoleculare.

important

La solide forțele de atracție dintre particule sunt foarte mari și distanțele dintre particule sunt foarte mici. Solidele cristaline au atomii (ionii) așezați ordonat într-o anumită formă, numită rețea cristalină. Ei execută numai mișcări de oscilație în jurul unor poziții fixe, numite nodurile rețelei. Atomii solidului se atrag considerabil. Iată de ce solidele au și formă și volum proprii, sunt incompresibile.

important

La lichide forțele de atracție dintre particule sunt mai mici ca la solide și distanțele dintre particule sunt puțin mai mari ca la solide. Moleculele execută atât mișcări de oscilație , cât și de translație . Moleculele se mișcă unele față de altele și se atrag puțin. Iată de ce lichidele nu au formă, dar au volum propriu, sunt incompresibile.

important

La gaze forțele de atracție dintre particule sunt foarte mici (neglijabile) și distanțele dintre particule sunt foarte mari . Moleculele execută atât mișcări de rotație , cât și de translație . Moleculele se mișcă mult unele față de altele (au loc suficient) și nu se atrag. Iată de ce gazele nu au formă, nu au volum propriu și sunt compresibile.




I.8. Transformări de stări de agregare.

În următoarea schemă sunt definite toate cele șase fenomene care au loc cu schimbarea stării de agregare:

Fenomenele care au loc cu schimbarea stării de agregare se studiază pe perechi, fiecare pereche având două fenomene opuse.



I.8.1. Topirea și solidificarea.

Definiţie

Topirea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare solidă în stare lichidă, prin încălzire .

Definiţie

Solidificarea este fenomenul invers topirii și constă în trecerea unei substanțe din stare lichidă în stare solidă, prin răcire.

Experiment

18. Cum se topește gheața ?

Materiale necesare: gheață, pahar transparent și un termometru (poate fi și de cameră).

Descrierea experimentului:

  • Pune în pahar gheață de la congelator.
  • Introdu termometrul în gheață .
  • Agită continuu cu termometru gheața.
  • Urmărește indicațiile termometrului în timp, de la apariția primei picături până la topirea completă a gheții.
  • Ce observi ?
Observaţie

Gheața începe să se topească la 0°C. Pe parcursul topirii (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal), temperatura a rămas la 0°C.

Legile topirii / solificării:

I. Fiecare substanță începe să se topească (să se solidifice) la o anumită temperatură, numită temperatură de topire (notată cu Tt ), care este o constantă de material (o luăm din tabel).

Temperatura de topire a unei substanțe coincide cu temperatura de solidificare (Ts).

Tt = Ts = constantă de material

Observații la legea I a topirii / solidificării

1. Temperaturile de topire ale substanțelor din tabelul cu constante de material sunt pentru presiuni normale. Pentru marea majoritate a substanțelor la creșterea presiunii, crește și temperatura de topire.

La unele substanțe (apa, fonta, bismutul) temperatura de topire scade la creșterea presiunii. Așa explicăm alunecarea frumoasă a patinatorilor pe gheață.

Presiunea mare exercitată de lamele ascuțite ale patinelor și pe care se distribuie greutatea patinatorilor, face ca gheața să se topească la o temperatură mai mică de 0°C. De exemplu deși gheața unui patinoar artificial are -5°C, datorită presiunii mari, aceasta se topește sub muchia patinei, unde apare o peliculă de apă, care facilitează alunecarea patinelor.

Observații la legea I a topirii / solidificării

2. Există anumite substanțe numite amorfe (care nu au structură cristalină- exemple: ceara, sticla, smoala, cauciucuri, mase plastice), care nu au un punct fix de topire, ele topindu-se într-un anumit interval de temperatură.

Observații la legea I a topirii / solidificării

3. În timpul topirii (respectiv a solidificării) volumul substanței se modifica astfel: majoritatea substanțelor își măresc volumul la topire și și-l micșorează la solidificare. Excepții avem la apa, fonta și bismutul, care își măresc volumul la solidificarere (aceasta este anomalia apei).

Legile topirii / solificării

II. Pe parcursul topirii unei substanțe (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal) temperatura de topire rămâne constantă, dacă presiunea ramâne constantă.

Experiment

19. Anomalia apei.

Materiale necesare: o sticlă , apă de la robinet, congelator.

Atenție

Nu pune dopul la sticla cu apă când o introduci în congelator, întrucât apa prin dilatare își mărește volumul și poate sparge sticla producând cioburi ce te pot accidenta!

Descrierea experimentului:

  • Umple o sticlă cu apă.
  • Introdu sticla la congelator, până îngheață toată apa.
  • Ce observi ?
Observaţie

Apa înghețată a dat pe dinafară.

Concluzia experimentului:

Apa la înghețare (solidificare) și-a mărit volumul (anomalia apei).

Observație

Apa are un comportament diferit între 0°C – 4 °C ( numită anomalia apei).

În acest interval volumul ei scade, densitatea creşte (la + 4 °C, având densitatea maximă).

Deci pe fundul lacurilor există apă la + 4 °C, ce face posibilă viaţa subacvatică.



I.8.2. Vaporizarea și condensarea.

Definiţie

Vaporizarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare lichidă în stare gazoasă (vapori), prin încălzire.

Definiţie

Condensarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă, prin răcire. Este fenomenul invers al vaporizării.

important

Vaporizarea poate avea loc în două moduri :

  • Evaporarea este vaporizarea care are loc doar la suprafața lichidului.
  • Fierberea este vaporizarea care are loc în toată masa lichidului și începe odată cu apariția primului clocot.
Experiment

20. Cum grăbim evaporarea ?

Materiale necesare: apă, alcool (spirt), acetonă, 3 sticle de ceas, pahar Berzelius, eprubetă, pipetă, trepied cu sită de azbest, spirtieră.

Atenţie

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Alcoolul și acetona sunt substanțe inflamabile și stai departe de sursele de foc când lucrezi cu ele!

Descrierea experimentului (Partea1):

  • Toarnă în fiecare sticlă de ceas, cu ajutorul pipetei, câte o picătură din cele trei lichide și urmărește ordinea în care cele trei lichide “dispar” din sticlele de ceas.

  • Ce observi ?

Observaţie (Partea1)

Unele lichide se evaporă repede (acetona, alcoolul), altele se evaporă mai încet(apa).

Concluzia experimentului (Partea1):

Viteza de evaporare depinde de natura lichidelor.

Descrierea experimentului (Partea2):

  • Pune în cele două vase, care au gura diferită (eprubetă și sticlă de ceas), câte o picătură de alcool.
  • Observă ordine evaporării alcoolului din cele două vase .
  • Ce observi ?
Observaţie (Partea2)

Alcoolul din sticla de ceas se evaporă foarte repede, iar cel din eprubetă se evaporă mai greu.

Concluzia experimentului (Partea2):

Viteza de evaporare pentru acelaşi lichid este cu atât mai mare, cu cât suprafaţa de evaporare (gura vasului) este mai mare.

Descrierea experimentului (Partea3):

  • Pune în cele două sticle de ceas câte o picătură de alcool.
  • Dă deoparte o sticlă de ceas şi flutură cu un carton deasupra celeilalte sticle de ceas. Observă ordinea evaporării alcoolului din cele două vase.
  • Ce observi ?
Observaţie (Partea3)

Primul care se evaporă este alcoolul zvântat, apoi alcoolul care s-a lăsat liber.

Concluzia experimentului (Partea3):

Prin zvântare sunt înlăturați vaporii de lichid de deasupra lichidului şi, astfel, crește viteza de evaporare.

Descrierea experimentului (Partea4):

  • Pune pe două sticle de ceas câte o picătură de apă.
  • Dă deoparte o sticlă de ceas şi aşază cealaltă sticlă de ceas pe sita de azbest și trepied, încălzind-o în flacăra unei spirtiere . Observă ordinea evaporării apei din cele două vase.
  • Ce observi ?
Observaţie (Partea4)

Cel mai repede se evaporă apa încălzită.

Concluzia experimentului (Partea4):

Cu cât temperatura unui lichid este mai mare, cu atât el se evaporă mai repede.

important

Factorii ce influențează viteza de evaporare a unui lichid sunt:

  • Natura substanței: unele substanțe (acetona, eterul, benzina, alcoolul etc.), numite lichide volatile se evaporă foarte repede, altele se evaporă mai încet (apa, uleiul).
  • Gura vasului (suprafața de evaporare): cu cât este mai mare, evaporarea are loc mai repede.
  • Zvântarea (suflarea) grăbește evaporarea, prin înlăturarea vaporilor de deasupra lichidului.
  • Temperatura cu cât este mai mare, cu atât evaporarea are loc mai repede.

Experiment

21. Anestezia locală

Materiale necesare: un termometru, vată sau pansament, alcool.

Descrierea experimentului:

  • Citește temperatura aerului din cameră cu ajutorul termometrului.

  • Înfăşoară cu vată (sau pansament) rezervorul termometrului şi picură alcool pe acesta.

  • Urmărește indicaţiile termometrului până când vata cu alcool se usucă şi citește temperatura indicată de termometru.

  • Ce observi ?

Observaţie

Temperatura termometrului a scăzut.

Concluzia experimentului:

Când un lichid se evaporă el absoarbe căldură din mediul înconjurător (termometru).

Aplicaţii în viaţa cotidiană

Faptul că evaporarea necesită consum de căldură, adică evaporarea este însoţită de o scădere de temperatură, îşi găseşte o serie de aplicaţii practice :

  • stropitul străzilor vara, pentru a se produce o atmosferă mai răcoroasă;
  • anestezia locală foloseşte, de asemenea, răcirea prin evaporare – prin răcire nervii locali amorţesc, nu mai transmit senzațiile dureroase la creier şi bolnavul nu mai simte durerea.
  • în agricultură, un mijloc pentru reducerea evaporării apei din sol este aratul.
Aplicaţii în viaţa cotidiană

1. De ce ne răcorește ventilatorul? Elicea ventilatorului îndepărtează vaporii de apă din jurul corpului nostru, crescând astfel viteza de evaporare a transpirației noastre, care absorbe căldură la evaporare și ne dă senzația de răcorire.

Aplicaţii în viaţa cotidiană

2. De ce când ieșim din apă, avem senzație de frig? Când ieșim din apă are loc evaporarea apei care absorbe căldură de pe corpul nostru și determină scăderea temperaturii corpului.

Aplicaţii în viaţa cotidiană

3. Principiul anesteziei locale: pe o zonă a corpului se aplică un lichid volatil (ex lidocaină). La evaporare absoarbe căldură, zona se răcește și nervii locali nu mai transmit durerea la creier.

Aplicaţii în viaţa cotidiană

4. Când suportăm mai bine canicula verii, când aerul este uscat sau umed? Omul suportă mai ușor canicula când aerul este uscat (nu este saturat cu vapori de apă) întrucât transpirația de pe noi se poate evapora mai ușor, absoarbe căldură la evaporare și ne răcorește.


Experiment

22. Cum fierbe apa ?

Materiale necesare: pahar Erlenmeyer cu apă distilată, spirtieră, trepied, sită de azbest, dop cu termometru, cronometru.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Pune paharul cu apă pe sită și trepied.
  • Măsoară temperatura inițială a apei.
  • Aprinde spirtiera și pornește cronometrul la începerea încălzirii apei.
  • Măsoară timpul la fiecare creștere a temperaturii apei cu 10°C și trece datele în următorul tabel:
  • Ce observi ?
Observaţie

Apa începe să fiarbă la 100°C. Pe parcursul fierberii, temperatura apei rămâne la 100°C, chiar dacă continuăm încălzirea.

  • Reprezintă graficul dependenței temperaturii în funcție de timp.
  • Fenomenele corespunzătoare fiecărui segment sunt :

    • AB, BC, CD reprezintă evaporarea apei
    • DE reprezintă fierberea apei
Legile fierberii:

I. Fiecare lichid începe să fiarbă la o anumită temperatură numită temperatură de fierbere, Tf care este o constantă de material (tabel).

Observaţie

Observație: Temperaturile de fierbere din tabelul cu constantele de material sunt pentru presiuni normale. La creșterea presiunii, temperatura de fierbere crește. Astfel dacă fierbem apa în vase ermetic închise, ea nu va mai fierbe la 100°C, ci la 120-140°C. Pe această proprietate se bazează fierberea rapidă a legumelor tari în oalele sub presiune (oale minune) și sterilizarea instrumentelor medicale în autoclave.


Oala sub presiune


Autoclava

Legile fierberii

II. Pe parcursul fierberii unui lichid (de la primul clocot până la vaporizarea completă) temperatura de fierbere este constantă, la aceeași presiune.


Experiment

23. Fierberea apei sub presiune

Materiale necesare: pahar Erlenmeyar cu apă distilată, spirtieră, trepied, sită de azbest , dop cu termometru și tub, dop pentru tub.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi! Atenție fierberea apei la presiuni mari este periculoasă!

Descrierea experimentului:

  • Pune paharul cu apă pe sită și trepied și încălzește-l la spirtieră .

  • Pune dopul la gura tubului gâtuind ieșirea vaporilor din vas pentru a mări presiunea la suprafața apei.

  • Observă la ce temperatură fierbe apa.

  • Ce observi ?

Observaţie

Apa fierbe la o temperatură mai mare decât temperatura ei de fierbere (103°C).

Concluzia experimentului:

La creșterea presiunii crește și temperatura de fierbere a apei.


Experiment

24. Poate apa să fiarbă la 60°C ?

Materiale necesare: apă caldă la 60°C, seringă cu tub, termometru.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Trage apa caldă (la 60°C) în seringă.

  • Întoarce seringa cu tubul în sus și elimină aerul din seringă și tub.

  • Închide tubul prin îndoirea lui.

  • Trage pistonul seringii în jos pentru a micșora presiunea deasupra apei.

  • Observă ce se întâmplă cu apa din seringă.

  • Ce observi ?

Observaţie

Apa fierbe la 60°C.

Concluzia experimentului:

La scăderea presiunii scade și temperatura de fierbere a apei.

Pe vârful Everest (8848 m) apa fierbe la 69 °C. În vid (presiune atmosferică zero) apa poate fierbe la 0°C.


Experiment

25. Condensarea apei

Materiale necesare: pahar, congelator.

Descrierea experimentului:

  • Ia un pahar curat și uscat și pune-l la congelator, timp de 10-15 minute.

  • Scoate paharul din congelator.

  • Ce observi pe pereții săi după câteva minute?

Observaţie

Pe pereții paharului sunt picături de apă.

Concluzia experimentului:

Apa apărută de nicăieri s-a format prin condensarea vaporilor de apă din cameră, care venind în contact cu pereții reci ai paharului, se răcesc și se transformă în picături mici de apă.



I.8.2. Sublimarea și desublimarea.

Definiţie

Sublimarea este fenomenul de transformare a unei substanțe din stare solidă direct în stare gazoasă, prin încălzire.

Definiţie

Desublimarea este fenomenul invers al sublimării, de transformare a unei substanțe din stare gazoasă (de vapori) direct în stare solidă, prin răcire.

Observaţie

Substanțe ca naftalina, camforul, acidul benzoic, iodul, gheaţa și altele au proprietatea de a trece din stare solidă direct în stare de vapori. Și tungstenul din filamentul becului sublimează lent ducând la subțierea filamentului și în final la arderea lui.

Experiment

26. Sublimarea naftalinei

Materiale necesare: naftalină (de la magazinul de chimicale), apă fiartă, un borcan de 800g, pahar Erlenmeyer cu dop prevăzut cu un tub și termometru, vas cu apă fiartă.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi! Atenție naftalina este inflamabilă și trebuie încălzită pe baie de apă fiartă! Naftalina este toxică, deci nu o atinge, nu o gusta și nu inspira vaporii săi!

Descrierea experimentului:

  • Pune naftalina în pahar într-un strat de un deget și închide-o cu dopul.

  • Pune apa într-o cratiță astfel încât nivelul ei să depășească cu puțin naftalina din pahar (strat de două degete) și fierbe apa.

  • Introdu sticla cu naftalină în baia de apă fiartă și urmărește pereții paharului.

  • Ce observi ?

Observaţie

În scurt timp apar cristale de naftalină sub formă de ace pe pereții sticlei.

Concluzia experimentului:

Naftalina prin încălzire a sublimat și s-a transformat în vapori de naftalină. Vaporii de naftalină dând de pereții mai reci ai sticlei au desublimat și s-au transformat în stare solidă, sub formă de cristale aciculare.



I.9. Călduri latente.

Trecerea substanței dintr-o stare de agregare în alta se face cu absorbție sau cedare de căldură.

Definiţie

Căldura absorbită sau cedată de o substanță pe parcursul unui fenomen cu schimbarea stării de agregare, care determină numai variația energiei potențiale a moleculelor se numește căldură latentă.

Ca să înțelegem noțiunea de căldură latentă trebuie să vedem ce se întâmplă în interiorul substanței care se transformă dintr-o stare de agregare în alta. Am ales topirea.

Explicația topirii unei substanțe:

În stare solidă particulele au energie potențială minimă și distanțe intermoleculare foarte mici. Topirea se produce la temperatură constantă și prin urmare, energia cinetică este constantă (energia cinetică –de mișcare a particulelor –este funcție de temperatură). Atunci ce face solidul cu căldura absorbită dacă temperatura lui nu se modifică? Ei bine căldura absorbită duce numai la creșterea energiei potențiale a moleculelor, care va conduce la creșterea distanțelor intermoleculare și trecerea solidului în lichid.

Qlatentă = căldura latentă, adică căldura absorbită (cedată) de o substanță pe parcursul schimbării stării de agregare (în Joule = J )

m = masa substanței (în kg)

ʌ = căldura latentă specifică (constantă de material și o luăm din tabel).

Se măsoară în J / kg. Se notează cu litera grecească lambda (ʌ) .

Observaţii

a) Căldurile latente specifice sunt de două feluri: de topire = ʌt și de vaporizare (fierbere) = ʌv.

b) Pentru aceeași substanță:

ʌt = ʌs și

ʌv = ʌc dar,

ʌt ≠ ʌv.

De exemplu pentru apă:

  • avem căldura latentă specifică de topire : ʌt =334.000 J/kg
  • avem căldura latentă specifică de vaporizare : ʌv = 2.260.000 J/kg
Problemă model

1. Ce căldură absoarbe 100g de gheață de la temperatura de (-20)°C până la vaporizarea completă? Se dau : cg = 2090 J/kg∙K, ca = 4200 J/kg∙K, ʌt =334.000 J/kg , ʌv = 2.260.000 J/kg, Tt = 0°C și Tf = 100°C.

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei: m = 100g = 0,1kg

    • T1 = -20°C

    • Tt = 0°C

    • Tf = 100°C

    • cg = 2090 J/kg∙K

    • ca = 4185 J/kg∙K

    • ʌt = 334.000 J/kg

    • ʌv = 2.260.000 J/kg

  • Scriem fenomenele suferite de gheață și aplicăm formulele corespunzătoare pentru căldura absorbită, în fiecare caz:

  • a) Încălzirea gheții de la (-20)°C până la 0°C:

    • Q1 = m ∙ cg ∙ ΔT = 0,1 ∙ 2090 ∙ [0 - (-20)] = 0,1 ∙ 2090 ∙ 20 = 4180 J
  • b) Topirea gheții la T = ct. = 0°C: fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:

    • Q2 = Qlatentă topire = m • ʌt = 0,1 ∙ 334.000 = 33.400 J
  • c) Încălzirea apei de la 0°C până la 100°C:

    • Q3 = m ∙ ca ∙ ΔT = 0,1 ∙ 4185 ∙ (100 - 0) = 0,1 ∙ 4185 ∙ 100 = 41.850 J
  • d) Fierberea (vaporizarea) apei la T = ct. = 100°C: fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:

    • Q4 = Qlatentă vaporizare = m • ʌv = 0,1 ∙ 2.260.000 = 226.000 J
  • Adunăm toate căldurile absorbite de gheață până la vaporizarea completă :

    • Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 4180 + 33.400 + 41.850 + 226.000 = 305.430 J
Problemă model

2. Ce căldură cedează 500g de aluminiu de la temperatura de 800 °C până la temperatura de 500 °C ?

Se dau:

cAl = 880 J/kgK,

ʌt = 400.000 J/kg,

Tt = 660°C .

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei:

m = 500g = 0,5kg

T1 = 800°C

Tt = Ts = 660°C

cAl = 880 J/kgK,

ʌt = 400.000 J/kg

T2 = 500°C

  • Scriem fenomenele suferite de aluminiu și aplicăm formulele corespunzătoare pentru căldura cedată , în fiecare caz :

  • a) Răcirea aluminiului lichid de la 800°C până la 660°C :

    • Q1 = m ∙ cAl ∙ ΔT = 0,5 ∙ 880 ∙(800-660) = 0,5 ∙ 880 ∙ 140 = 6.160 J
  • b) Solidificarea aluminiului lichid la Ts = Tt = constantă = 660°C : fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente :

    • Q2 = Qlatentă topire = m • ʌt = 0,5 ∙ 400.000 = 200.000 J
  • c) Răcirea aluminiului solid de la 660°C până la 500°C :

    • Q3 = m ∙ cAl ∙ ΔT = 0,5 ∙ 880 ∙ (660-500) = 0,5 ∙ 880 ∙ 160 = 70.400 J
  • Adunăm toate căldurile cedate de aluminiu

    • Qcedată = Q1 + Q2 + Q3 = 6.160 + 200.000 + 70.400 = 276.560 J



I.10. Combustibili.

Definiţie

Combustibilii sunt substanțe care degajă căldură, prin arderea lor.

Clasificarea combustibililor:





Experiment

27. Depinde căldura cedată de un combustibil de masa lui?

Materiale necesare: pahar Erlenmeyer, apă rece de la robinet, spirtieră, sită de azbest, trepied, termometru, alcool.

Atenţie

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Pune într-un pahar 100g de apă și introdu în apă un termometru și măsoară temperatura inițială T1 = 30°C.

  • Pune în spirtieră alcool și determină-i masa, m1 = 136,1g.

  • Încălzește la flacăra acestei spirtiere, apa prin intermediul sitei de azbest de pe trepied, până se încălzește cu 10°C, adică până la 40°C. Stinge spirtiera.

  • Măsoară masa spirtierei după ce ai încălzit apa cu 10°C : m2 = 134,9g.

  • Calculează cantitatea de alcool arsă: mI = m2 – m1 = 1,2 g alcool.

  • Pune într-un pahar 100g de apă și introdu în apă un termometru și măsoară temperatura inițială T1 = 31°C.

  • Pune în spirtieră alcool și determină-i masa, m1 = 136,1g.

  • Încălzește la flacăra acestei spirtiere, apa prin intermediul sitei de azbest de pe trepied, până se încălzește cu 20°C, adică până la 51°C. Stinge spirtiera.

  • Măsoară masa spirtierei după ce ai încălzit apa cu 20°C : m2 = 134,1g.

  • Calculează cantitatea de alcool arsă : mII = m2 – m1 = 2 g alcool.

  • Depinde căldura absorbită de apă de cantitatea de combustibil folosită ?

  • Ce observi ?

Observaţie

2 g de alcool încălzește mai mult apa decât 1,2 g de alcool.

Concluzia experimentului:

Căldura cedată de un combustibil, prin arderea sa, este direct proporțională cu masa combustibilului: Q ~ m.


Experiment

28. Depinde căldura degajată de un combustibil de felul acestuia?

Materiale necesare: pahar Erlenmeyer, apă rece de la robinet, spirtieră, sită de azbest, trepied, termometru, alcool, cronometru, aragaz

Atenţie

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Măsoară cu cronometrul timpul în care încălzești 100 g de apă cu 20°C cu ajutorul spirtierei umplută cu alcool: t1 = 2min 28,54s.

  • Măsoară cu cronometrul timpul în care încălzești 100 g de apă cu 20°C cu ajutorul gazului metan de la aragaz: t2 = 1min 1,72s

  • Depinde căldura absorbită de apă de felul combustibilului folosit ?

  • Ce observi ?

Observaţie

Gazul metan încălzește mai repede apa decât spirtul.

Concluzia experimentului:

Căldura cedată de un combustibil, prin arderea sa, este direct proporțională cu felul combustibilului.

Fiecare combustibil este caracterizat de o constantă de material, numită putere calorică (notată cu q), pe care o luăm din tabelul următor.

important

Căldura degajată de un combustibil prin ardere depinde de masa combustibilului ( m ) și de puterea calorică a combustibilului ( q) și are următoarea formulă :

m = masa (cantitatea) de combustibil ars (kg)

q = puterea calorică a combustibilului (J/kg).

Problemă model

1. Determină puterea calorică a alcoolului, folosind datele experimentului nr.27. Consideră că toată căldura degajată de alcool a fost folosită pentru a încălzi apa (neglijează pierderile de căldură cu mediul înconjurător).

Rezolvare:

  • Prima determinare:

    • Q1 = m1 ∙ q = m ∙ c ∙ ΔT1

    • m1 = 1,2 g = 0,0012kg alcool

    • m = 100 g = 0,1g apă

    • c = 4185 J/kg∙K

    • ΔT1 = 10°C

    • q1 = ?

  • A doua determinare:

    • Q2 = m2 ∙ q = m ∙ c ∙ ΔT2

    • m2 = 2 g = 0,002 kg alcool

    • m = 100 g = 0,1g apă

    • c = 4185 J/kg∙K

    • ΔT2 = 20°C

    • q2 = ?

Compar valoarea obținută experimental cu puterea calorică a alcoolului din tabel 23855 KJ/kg și observ că valoarea mea depășește valoarea din tabel (datorită erorilor de măsură).

Problemă model

2. Ce cantitate de motorină a fost consumată de un motor Diesel cu randamentul de 40%, dacă lucrul mecanic efectuat a fost de 8.500.000 J ?

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei și le transformăm în S.I.:

    • m = ?

    • q = 42.000 KJ/kg = 42.000.000 J/kg (din tabel)

    • L = 8.500.000 J

    • η = 40 % = 40/100

  • Scriem formula randamentului și a căldurii degajată de combustibil :



I.11. Sinteză recapitulativă - Fenomene termice Partea a II-a

important

Stările de agregare ale corpurilor (substanțelor) sunt:

  • Starea solidă

  • Starea lichidă

  • Starea gazoasă

Corpurile solide au formă proprie (bine determinată) și volum propriu. Nu curg.

La solide forțele de atracție dintre particule sunt foarte mari și distanțele dintre particule sunt foarte mici. Solidele cristaline au atomii (ionii) așezați ordonat într-o anumită formă, numită rețea cristalină. Ei execută numai mișcări de oscilație în jurul unor poziții fixe, numite nodurile rețelei. Atomii solidului se atrag considerabil. Iată de ce solidele au și formă și volum proprii, sunt incompresibile.

Lichidele au volum propriu (bine determinat), dar nu au formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse). Curg (sunt fluide).

La lichide forțele de atracție dintre particule sunt mai mici ca la solide și distanțele dintre particule sunt puțin mai mari ca la solide. Moleculele execută atât mișcări de oscilație , cât și de translație . Moleculele se mișcă unele față de altele și se atrag puțin . Iată de ce lichidele nu au formă , dar au volum propriu, sunt incompresibile.

Gazele nu au nici formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse) și nici volum propriu (ocupă tot volumul pus la dispoziție). Curg (sunt fluide).

La gaze forțele de atracție dintre particule sunt foarte mici (neglijabile) și distanțele dintre particule sunt foarte mari . Moleculele execută atât mișcări de rotație , cât și de translație . Moleculele se mișcă mult unele față de altele (au loc suficient) și nu se atrag. Iată de ce gazele nu au formă , nu au volum propriu și sunt compresibile.



Transformări de stări de agregare

În următoarea schemă sunt definite toate cele șase fenomene care au loc cu schimbarea stării de agregare :

Fenomenele care au loc cu schimbarea stării de agregare se studiază pe perechi, fiecare pereche având două fenomene opuse.

Topirea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare solidă în stare lichidă, prin încălzire .

Solidificarea este fenomenul invers topirii și constă în trecerea unei substanțe din stare lichidă în stare solidă, prin răcire.

Legile topirii / solidificării:

I. Fiecare substanță începe să se topească (să se solidifice) la o anumită temperatură, numită temperatură de topire (notată cu Tt ), care este o constantă de material (o luăm din tabel).

Temperatura de topire a unei substanțe coincide cu temperatura de solidificare (Ts).

Tt = Ts = constantă de material

Observații la legea I a topirii / solidificării

  • 1. Temperaturile de topire ale substanțelor din tabelul cu constante de material sunt pentru presiuni normale. Pentru marea majoritate a substanțelor, la creșterea presiunii crește și temperatura de topire.

  • La unele substanțe (apa, fonta, bismutul) temperatura de topire scade la creșterea presiunii.

  • 2. Există anumite substanțe numite amorfe (care nu au structură cristalină- exemple: ceara, sticla, smoala, cauciucuri, mase plastice) care nu au un punct fix de topire, ele topindu-se într-un anumit interval de temperatură.

  • 3. În timpul topirii (respectiv a solidificării) volumul substanței se modifica astfel: majoritatea substanțelor își măresc volumul la topire și și-l micșorează la solidificare. Excepții avem la apa, fonta și bismutul, care își măresc volumul la solidificarere (aceasta este anomalia apei).

II. Pe parcursul topirii unei substanțe (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal) temperatura de topire rămâne constantă, dacă presiunea ramâne constantă.



Vaporizarea și condensarea

Vaporizarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare lichidă în stare gazoasă (vapori), prin încălzire.

Condensarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă, prin răcire. Este fenomenul invers al vaporizării.

Vaporizarea poate avea loc în două moduri :

a) Evaporarea este vaporizarea care are loc doar la suprafața lichidului.

b) Fierberea este vaporizarea care are loc în toată masa lichidului și începe odată cu apariția primului clocot.

Factorii ce influențează viteza de evaporare a unui lichid sunt:

  • Natura substanței: unele substanțe (acetona, eterul, benzina, alcoolul etc.), numite lichide volatile se evaporă foarte repede, altele se evaporă mai încet (apa, uleiul).

  • Gura vasului (suprafața de evaporare): cu cât este mai mare, evaporarea are loc mai repede.

  • Zvântarea (suflarea) grăbește evaporarea, prin înlăturarea vaporilor de deasupra lichidului.

  • Temperatura cu cât este mai mare, cu atât evaporarea are loc mai repede.

Aplicaţiile evaporării în viaţa cotidiană:

  • 1) De ce ne răcorește ventilatorul? Elicea ventilatorului îndepărtează vaporii de apă din jurul corpului nostru, crescând astfel viteza de evaporare a transpirației noastre, care absoarbe căldură la evaporare și ne dă senzația de răcorire.
  • 2) De ce când ieșim din apă avem senzație de frig? Când ieșim din apă are loc evaporarea apei care absoarbe căldură de pe corpul nostru și determină scăderea temperaturii corpului.
  • 3) Principiul anesteziei locale: pe o zonă a corpului se aplică un lichid volatil (de exemplu lidocaină). La evaporare lichidul volatil absoarbe căldură, zona se răcește și nervii locali nu mai transmit durerea la creier.
  • 4) Când suportăm mai bine canicula verii, când aerul este uscat sau umed? Omul suportă mai ușor canicula când aerul este uscat (nu este saturat cu vapori de apă) întrucât transpirația de pe noi se poate evapora mai ușor, absoarbe căldură la evaporare și ne răcorește.


Legile fierberii:

I. Fiecare lichid începe să fiarbă la o anumită temperatură numită temperatură de fierbere, Tf care este o constantă de material (tabel).

Observație: Temperaturile de fierbere din tabelul cu constantele de material sunt pentru presiuni normale. La creșterea presiunii temperatura de fierbere crește. Astfel dacă fierbem apa în vase ermetic închise, ea nu va mai fierbe la 100°C, ci la 120-140°C. Pe această proprietate se bazează fierberea rapidă a legumelor tari în oalele sub presiune (oale minune) și sterilizarea instrumentelor medicale în autoclave.

II. Pe parcursul fierberii unui lichid (de la primul clocot până la vaporizarea completă) temperatura de fierbere este constantă, la aceeași presiune.



Sublimarea și desublimarea

Sublimarea este fenomenul de transformare a unei substanțe din stare solidă direct în stare gazoasă, prin încălzire.

Desublimarea este fenomenul invers al sublimării, de transformare a unei substanțe din stare gazoasă (de vapori) direct în stare solidă, prin răcire.

Observație: Substanțe ca naftalina, camforul, acidul benzoic, iodul, gheaţa și altele au proprietatea de a trece din stare solidă direct în stare de vapori. Și tungstenul din filamentul becului sublimează lent ducând la subțierea filamentului și în final la arderea lui.

Privește cu atenție graficul dependenței temperaturii apei în funcție de timp. Ce fenomene corespund fiecărei porțiuni ale graficului.

  • Fenomenele corespunzătoare fiecărui segment sunt :

    • AB, BC, CD reprezintă evaporarea apei, deoarece apa are o temperatură inferioară temperaturii ei de fierbere (100°C).

    • DE reprezintă fierberea apei, deoarece apa a ajuns la temperatura ei de fierbere (100°C) și pe parcursul fierberii temperatura ei este constantă.



Călduri latente

Trecerea substanței dintr-o stare de agregare în alta se face cu absorbție sau cedare de căldură.

Căldura absorbită sau cedată de o substanță pe parcursul unui fenomen cu schimbarea stării de agregare, care determină numai variația energiei potențiale a moleculelor se numește căldură latentă.

Ca să înțelegem noțiunea de căldură latentă trebuie să vedem ce se întâmplă în interiorul substanței, care se transformă dintr-o stare de agregare în alta. Am ales topirea.

Explicația topirii unei substanțe:

În stare solidă particulele au energie potențială minimă și distanțe intermoleculare foarte mici. Topirea se produce la temperatură constantă și prin urmare, energia cinetică este constantă (energia cinetică –de mișcare a particulelor –este funcție de temperatură). Atunci ce face solidul cu căldura absorbită, dacă temperatura lui nu se modifică? Ei bine, căldura absorbită duce numai la creșterea energiei potențiale a moleculelor, care va conduce la creșterea distanțelor intermoleculare și trecerea solidului în lichid.

Qlatentă = căldura latentă, adică căldura absorbită (cedată) de o substanță pe parcursul schimbării stării de agregare (în Joule = J )

m = masa substanței (în kg)

ʌ = căldura latentă specifică (constantă de material și o luăm din tabel). Se măsoară în J / kg. Se notează cu litera grecească lambda (ʌ) .

Observații:

a) Căldurile latente specifice sunt de două feluri: de topire = ʌt și de vaporizare (fierbere) = ʌv.

b) Pentru aceeași substanță:

ʌt = ʌs și

ʌv = ʌc dar,

ʌt ≠ ʌv.

De exemplu pentru apă:

  • avem căldura latentă specifică de topire : ʌt =334.000 J/kg
  • avem căldura latentă specifică de vaporizare : ʌv = 2.260.000 J/kg


Combustibili

Combustibilii sunt substanțe care degajă căldură, prin arderea lor.

Clasificarea combustibililor :





Căldura degajată de un combustibil prin ardere depinde de masa combustibilului ( m ) și de puterea calorică a combustibilului ( q) și are următoarea formulă :

m = masa (cantitatea) de combustibil ars (kg)

q = puterea calorică a combustibilului (J/kg).



I.12. Probleme recapitulative - Fenomene termice Partea a II-a

Problemă experimentală - Fenomene termice Partea a II-a

1. Într-un pahar pune 1-2 cuburi de gheață și adaugă apă în pahar până se umple ochi. Poți picura cerneală în apa din pahar pentru a o face mai vizibilă. Așteaptă până când toată gheața se topește. S-a revărsat apa din pahar după topirea gheții? Explică!

Nicio picătură de apă nu s-a scurs din vas.

Apa prezintă o anomalie: la solidificare, în loc să își micșoreze volumul, ea își mărește volumul. Gheața ocupă un volum mai mare în apa din pahar decât apa rezultată în urma topirii ei și de aceea apa nu se revarsă din pahar după topirea gheții.

Vom lua un exemplu aplicativ considerând că avem un cub de gheață cu latura de 1 cm3 pus în apă. Calculăm volumul cubului de gheață scufundat în apă și îl comparăm cu volumul ape cubului după topire (atât gheața, cât și apa rezultată în urma topirii au aceeași masă).

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei:

    • l = 1 cm = 10^-2

    • ρgheață = 920 kg/m3

    • ρapă = 1000 kg/m3

    • Vscufundat = ?

    • Vapă = ?

  • Calculăm volumul cubului:

    • Vcub = l3 = (0,01m)3 = 0,000001 m3 = 10-6m3
  • Porțiunea scufundată dezlocuie un volum de lichid egală cu greutatea corpului (conform Legii lui Arhimede):



  • Calculăm masa cubului de gheață care este egală cu masa apei rezultată în urma topirii :


  • Calculăm volumul apei rezultată în urma topirii gheții din formula densității:


  • Iată de ce apa nu s-a revărsat din pahar: Vscufundat = Vapă


I.13. Exerciții recapitulative - Fenomene termice Partea a II-a

Exerciții recapitulative - Fenomene termice Partea a II-a

1. Precizează în dreptul fiecărui combustibil starea lui de agregare și proveniența sa:

a) Motorină

b) Cărbune

c) Kerosen

d) Gaz metan

e) Alcool

f) Hidrogen

g) Lemn

h) Gaz butan

i) Petrol

j) Benzină


2. Este suficientă căldura degajată de 80 g de cupru la trecerea de la o temperatură de 1500°C până când ajunge la 800°C pentru a vaporiza complet 500g glicerină cu temperatura de 200°C? Se dau: căldura specifică a cuprului de 380 J/kg∙K, căldura specifică a glicerinei de 2400 J/kg∙K, temperatura de topire a cuprului de 1100°C , temperatura de fierbere a glicerinei de 290 °, căldura latentă specifică de topire a cuprului de 205.000 J/kg și căldura latentă specifică de vaporizare a glicerinei de 270.000 J/kg.


3. De ce solidele au și volum propriu și formă proprie?


4. De ce lichidele au volum propriu și nu au formă proprie?


5. De ce gazele nu au nici volum propriu și nici formă proprie?


6. Cât este căldura degajată prin arderea a 2 kg de lemn uscat? Se dă puterea calorică a lemnului de 16.470 KJ/kg.


7. Putem vaporiza complet 800 g apă cu temperatura de 10°C prin arderea a 600 g cărbune cu puterea calorică de 29.200 kJ/kg ? Se dau : căldura specifică a apei de 4180 J/kg∙K și căldura latentă specifică de vaporizare a apei de 2.260 kJ/kg.


8. Completează următoarele afirmații:

a) Sublimarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare……………..în stare………………., prin…………………

b) Topirea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare……………..în stare………………., prin…………………

c) Condensarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare……………..în stare………………., prin…………………

d) Solidificarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare……………..în stare………………., prin…………………

e) Desublimarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare……………..în stare………………., prin…………………

f) Vaporizarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare……………..în stare………………., prin…………………


9. Enunță legile topirii/fierberii.


10. De ce când ieșim din apă ne este frig?


11. Când suportăm mai bine canicula verii, când aerul este uscat sau umed?


12. De ce ventilatorul ne răcorește?


13. Cum depinde temperatura de fierbere de presiune?


14. Ce este anomalia apei?


15. Care substanțe nu au o temperatură fixă de topire?


16. De ce legumele tari se fierb foarte repede în oalele sub presiune?


17. Cum se sterilizează obiectele folosind apă?



I.14. Test de autoevaluare - Fenomene termice Partea a II-a

TEST2: Test de autoevaluare - Fenomene termice Partea a II-a

1. Dă două exemple de combustibili: 5 x 0,25p = 1,25p

a)Lichizi

b)Gazoși

c)Naturali

d)Artificiali

e)Solizi

2. Completează următoarele afirmații: 4 x 0,25p = 1p

a) Solidele …….volum propriu.

b) Distanțele intermoleculare la gaze sunt foarte……….

c) Forțele intermoleculare la solide sunt foarte…………

d) Lichidele nu au ………….

3. Completează denumirea celor trei fenomene care au loc cu schimbarea stării de agregare și cum are loc acest fenomen (prin încălzire/răcire). 4 spații libere x 0,25p = 1p



4. Răspunde la următoarele întrebări: 4 x 0,25p = 1p

a) Când începe fenomenul de fierbere?

b) Temperatura de topire a unei substanțe din tabelul cu constante de material poate fi schimbată pentru o substanță?

c) Cum se numește temperatura la care începe topirea unei substanțe?

d) Pe ce se bazează sterilizarea obiectelor?


5. Știind temperatura de topire a naftalinei de 80°C determină studiind graficul dependenței temperaturii în timp, ce fenomene au loc pe porțiunea:

a) AB -0,25p

b) BC -0,25p

c) CD -0,25p



6. Cum are loc anestezia locală? -1p

7. Ce căldură degajă 300 g de nichel de la o temperatura de 2000°C până când ajunge la 1000°C? Se dau : căldura specifică a nichelului de 440 J/kg ∙K, temperatura de topire a nichelului de 1450°C și căldura latentă specifică de topire de 290.000 J/kg. -2p

Din oficiu -2p



I.15. Tabel cu constante fizice (de material).