CLUBUL DE FIZICĂ
LICEUL CU PROGRAM SPORTIV
TÎRGU JIU
FENOMENE TERMICE
Prin fenomen termic înţelegem, în general, orice fenomen fizic legat de mişcarea complet dezordonată care se manifestă la nivel molecular. Fenomene fizice cum sunt: variaţia proprietăţilor fizice ale substanţei la încălzirea sau răcirea ei, schimbul de căldură dintre corpurile încălzite diferit, transformarea căldurii (obţinută prin arderea combustibililor) în lucru mecanic, etc. constituie exemple de fenomene termice.
Temperatura unui corp este direct legată de viteza moleculelor lui.
O serie întreagă de experienţe efectuate cu corpuri, aflate în diferite stări de agregare, au pus în evidenţă mişcarea de agitaţie permanentă a moleculelor oricărui corp.
Energia internă a unui corp este suma dintre energiile cinetice ale tuturor moleculelor datorată mişcării de agitaţie termică şi energiile potenţiale ale lor.
Energia internă a corpurilor se poate modifica prin schimb de căldură.
Corpurile care pot schimba căldură între ele sunt în contact termic.
Când două corpuri aflate la temperaturi diferite sunt puse în contact termic ele schimbă căldură. Căldura trece de la cel cu temperatura mai ridicată la cel cu temperatură mai scăzută. Temperaturile corpurilor care se pun în contact termic determină sensul în care se face schimbul de căldură. Schimbul de căldură încetează când temperaturile devin egale, deci corpurile au ajuns la echilibru termic.
Când un corp primeşte sau cedează căldură, atunci temperatura sa se modifică. Între căldura schimbată de un corp şi variaţia temperaturii sale există o dependenţă care este determinată de natura corpului şi de condiţiile fizice, în care are loc schimbul de căldură. Mărimile ce stabilesc o legătură cantitativă între căldura Q primită sau cedată de un corp şi variaţia temperaturii sale Δθ se numesc coeficienţi calorici.
Pentru măsurarea căldurii Q se foloseşte în mod curent unitatea de măsură din Sistemul Internaţional, Joule ( J ).
Căldura Q este direct proporţională cu masa m şi cu intervalul de temperatură Δθ depinzând şi de natura substanţei corpului:
Q = c · m · Δθ
Coeficientul c depinde de natura substanţei încălzite; se numeşte căldură specifică. El reprezintă cantitatea de căldură necesară încălzirii unui kilogram de substanţă cu un grad Celsius.
Deci pentru a încălzi un corp cu Δθ grade este necesar să transmitem corpului căldura Q. Mărimea fizică numeric egală cu căldura necesară pentru a varia temperatura unui corp cu un grad Celsius se numeşte capacitatea calorică a corpului şi se notează cu C. Valoarea sa este dată de expresia :
C = Q/Δθ
Din relaţiile de mai sus se poate stabili o legătură între capacitatea calorică C şi căldura specifică c :
C = m · c
Obţinerea căldurii este o problemă de mare însemnătate pentru omenire. Încălzirea locuinţelor, pregătirea hranei, procesele de prelucrare a materialelor folosite în tehnică nu ar fi posibile dacă omul nu ar dispune de diferite mijloace de producere a căldurii. Combustibilii sunt substanţe care prin ardere degajă căldură şi pot încălzi corpurile din jur. După modul în care se obţin, combustibilii sunt: naturali (cărbune, lemn, petrol, gaz metan) şi artificiali, obţinuţi prin prelucrarea celor naturali: benzină, motorină etc.
După starea de agregare la temperatura normală, combustibilii sunt: solizi (lemn, cărbune), lichizi (petrol, benzină, alcool) şi gazoşi (gazul metan, hidrogenul).
Combustibilii folosiţi pentru obţinerea căldurii prin ardere trebuie să îndeplinească următoarele calităţi: temperatura de aprindere să nu fie prea mare, temperatura de combustie să fie ridicată, iar arderea să fie întreţinută.
Prin arderea unor cantităţi diferite din acelaşi combustibil se obţin călduri diferite proporţional cu masa de combustibil ars.
Dacă un combustibil nu ajunge la temperatura de aprindere, el nu arde.
Vom compara în continuare doi combustibili, alcool şi petrol, pentru a vedea dacă cedează aceeaşi căldură prin ardere completă.
Luăm două spirtiere identice în care punem în cantităţi mici, egale, alcool medicinal şi, respectiv, petrol lampant sau petrosin. Alegem două vase de sticlă identice şi punem în fiecare câte 100 g de apă. Aprindem spirtierele şi, după epuizarea combustibilului, vom măsura şi compara temperaturile apei în cele două vase. Se constată că variaţiile de temperatură obţinute sunt diferite prin încălzire cu combustibili diferiţi.
Cantităţi egale de combustibili diferiţi cedează, prin ardere completă, cantităţi de căldură diferite.
Cantitatea de căldură, Q, cedată prin arderea completă a unui kilogram de combustibil se numeşte puterea calorică a acelui combustibil. Ea se notează cu q.
Prin arderea completă a unei mase m de combustibil, căldura cedată este:
Q = m · q
Unii combustibili sunt periculoşi. De exemplu, benzina se transformă uşor în vapori; aceştia se aprind uşor şi ard violent putând produce explozii.
Motoarele sunt folosite la tot pasul. Sunt de mărimi şi de forme diferite.
Cuvântul motor există, chiar în această formă, în original în limba latină şi înseamnă “care produce mişcare”. Aceasta arată că motorul este folosit tocmai pentru a se obţine energie cinetică.
Orice motor trebuie să primească energie pentru a funcţiona.
Procesul de dilatare puternică şi rapidă a gazelor încălzite este fenomenul fizic folosit în motoarele termice pentru efectuarea de lucru mecanic.
STAREA DE ÎNCĂLZIRE. CONTACT TERMIC. ECHILIBRU TERMIC
Trecerea unui corp dintr-o stare de incalzire in alta stare de incalzire, in urma contactului termic cu un alt corp este caracterizata de marimea fizica numita caldura(Q).
Unitate de masura : joule (J)
Aerul dintr-o cameră într-o zi însorită de vară este “cald”. Un bulgăre de zăpadă este “rece”.
Despre un corp “cald” sau “rece” spunem că se află într-o anumită stare de încălzire pe care o putem aprecia cu ajutorul simţurilor .
Lichidul dintr-o sticlă se răceşte când este pus în frigider, deoarece el interacţionează cu aerul rece din frigider. Apa dintr-un vas se încălzeşte când vasul este pus la flacăra unui aragaz.
Încălzirea şi răcirea sunt fenomene prin care se schimbă starea de încălzire a unui corp. Starea de încălzire a unui corp nu se poate modifica decât în urma unei interacţiuni cu alt corp.
Apa mării în timpul iernii este mai rece decât în timpul verii . Spunem că în timpul iernii temperatura este mai mică decât în timpul verii. Proprietăţii unui corp de a avea o anumită stare de încălzire i se asociază mărimea fizică numită temperatură( t) a cărei unitate de măsură este gradul Celsius. Corpurile cu stări de încălzire diferite au temperaturi diferite, iar corpurile aflate în echilibru termic au aceeaşi temperatură.
Cu ajutorul simţurilor nu se poate aprecia exact starea de încălzire a unui corp şi de aceea este nevoie de un instrument de măsură. Instrumentul de măsură pentru temperatură este termometrul.
De ce nu se citeşte temperatura corpului după ce termometrul este pus în contact termic cu un corp? Termometrul indică temperatura corpului cu care este în contact termic în momentul în care între ele s-a stabilit echilibrul termic.
DILATAREA CORPURILOR
Dilatarea corpurilor solide:
Folosind un pirometru cu cadran din trusa de fizică se observă cum se comportă o tijă metalică şi una din aluminiu la încălzire.
Tija de fier şi cea de aluminiu , atunci când sunt încălzite în aceleaşi condiţii, se dilată diferit, deoarece sunt alcătuite din substanţe diferite.
O tijă metalică prin încălzire îşi măreşte lungimea; spunem că se dilată în lungime. Prin răcire , tija metalică îşi micşorează lungimea; spunem că se contractă.
Dilatarea în volum:
De un trepied fixam o tija cu inel. Un corp sferic metalic, la temperatura camerei poate fi trecut prin inel, dar dupa ce îl încalzim , nu mai poate fi trecut !!
O bilă metalică prin încălzire îşi măreşte diametrul, deci îşi măreşte volumul; spunem că bila se dilată în volum . Prin r ăcire , bila îşi micşorează volumul, deci se contractă.
Dilatarea corpurilor lichide:
EXPERIMENT Puneţi apă aflată la temperatura camerei într-un balon de sticlă prevăzut cu un dop de cauciuc în orificiul căruia este introdus un tub subţire de sticlă deschis la ambele capete. Pune balonul de sticlă într-un vas mai mare în care se află apă caldă.
Prin încălzire apa din balon îşi măreşte volumul, adică se dilată , iar prin răcire îşi micşorează volumul, adică se contractă
Dilatarea corpurilor gazoase:
Dilatarea corpurilor gazoase EXPERIMENT Închide un volum de aer cu ajutorul unei coloane de lichid colorat, într-un balon de sticlă prevăzut cu un dop în orificiul căruia se află un tub de sticlă îndoit. Pune balonul în apă caldă. Pune balonul în apă rece. Ce observi?
Aerul din balon prin încălzire îşi măreşte volumul, adică se dilată, iar prin răcire îşi micşorează volumul, adică se contractă.
ATENŢIE! Gazele se dilată mai mult decât lichidele atunci când sunt încălzite în condiţii identice.
Calorimetrul
Un invelis (perete) care nu permite corpurilor din interior sa interactioneze termic cu exteriorul, este un izolator perfect. In realitate nu exista un izolator perfect. O foarte buna izolare termica se poate realize cu ajutorul calorimetrului.