La calor és una mesura de l'energia tèrmica que es pot transferir d'un punt a un altre. La calor és la transferència d'energia cinètica d'una font d'energia a un medi o d'un medi o objecte a un altre medi o objecte.

La calor és un dels components importants dels canvis de fase associats amb el treball i l'energia. La calor també és la mesura de l'energia cinètica que posseeixen les partícules d'un sistema. L'energia cinètica de les partícules del sistema augmenta amb l'augment de la temperatura del sistema. Per tant, la mesura de calor canvia amb el temps.

Transferència de calor

Quan un sistema a una temperatura més alta entra en contacte amb un sistema a una temperatura més baixa, l'energia es transfereix de les partícules del primer sistema a les partícules del segon. Per tant, la transferència de calor es pot definir com el procés de transferència de calor d'un objecte (o un sistema) a una temperatura més alta a un altre objecte (o un sistema) a una temperatura més baixa.

Fórmula de transferència de calor

La fórmula de transferència de calor determina la quantitat de calor transferida d'un sistema a un altre.

Q = c × m × ΔT

On,

Q és la calor subministrada al sistema

m és la massa del sistema

c és la capacitat calorífica específica del sistema

ΔT és el canvi de temperatura del sistema

La capacitat calorífica específica (c) es defineix com la quantitat de calor (en Joules) absorbida per unitat de massa (kg) del material quan la seva temperatura augmenta 1 K (o 1 °C). Les seves unitats són J/kg/K o J/kg/°C.

Derivació de la fórmula

Deixar m sigui la massa del sistema i c ser la capacitat calorífica específica del sistema. Deixar ΔT ser el canvi de temperatura del sistema.

Aleshores, la quantitat de calor subministrada ( Q ) és el producte de la massa m , capacitat calorífica específica c i canvi de temperatura ΔT i ve donada per,

Q = c × m × ΔT

Tipus de transferència de calor

Hi ha tres tipus de transferència de calor:

1. Conducció
2. Convecció
3. Radiació

Conducció

La transferència de calor a través de materials sòlids s'anomena conducció. La fórmula de la calor transferida pel procés de conducció s'expressa com:

Q = kA(T _Calent -T _Refredat) t/d

On,

Q és calor transferida per conducció

k és la conductivitat tèrmica del material

A és l'àrea de la superfície

T_Calentés la temperatura de la superfície calenta

T_Refredatés la temperatura de la superfície freda

t és el temps

d és el gruix del material

Convecció

La transferència de calor a través de líquids i gasos s'anomena convecció. La fórmula de la calor transferida pel procés de convecció s'expressa com:

Q = H _c A (T _Calent -T _Refredat )

On,

Q és calor transferida per convecció

H_cés el coeficient de transferència de calor

A és l'àrea de la superfície

T_Calentés la temperatura del sistema calent

Python de cerca binària

T_Refredatés la temperatura del sistema fred

Radiació

La transferència de calor a través d'ones electromagnètiques s'anomena radiació. La fórmula de la calor transferida pel procés de radiació s'expressa com:

Q = σ (T _Calent – T _Refredat) ⁴ A

On,

Q és calor transferida per radiació

σ és la constant de Stefan Boltzmann

T _Calent és la temperatura del sistema calent

T _Refredat és la temperatura del sistema fred

A és l'àrea de la superfície

La constant de Stefan Boltzmann (σ) es calcula com:

σ = 2.p ⁵ K _B ⁴ / 15 h ³ c ² = 5.670367(13) × 10 ^-8 J . m ^-2 . S ^-1 . K ^-4

On,

σ és la constant de Stefan Boltzmann

pi(π) ∼=

k _B és constant de Boltzmann

h és la constant de Planck

c és la velocitat de la llum en el buit

Exemples de problemes

Problema 1: Un sistema amb una massa de 10 kg i una temperatura inicial de 200 K s'escalfa a 450 K. La capacitat calorífica específica del sistema és de 0,91 KJ/kg K. Calcula la calor guanyada pel sistema en aquest procés.

Solució:

Segons la pregunta,

Massa, m = 10 kg

Capacitat calorífica específica, c = 0,91 KJ/kg K

Temperatura inicial, T _i = 200 K

Temperatura final, T _f = 450 K

Canvi de temperatura, ΔT = 450K – 200K = 250K

Utilitzant la fórmula de transferència de calor,

Q = c × m × ΔT

Q = 0,91 x 10 x 250

Q = 2275 KJ

Per tant, la calor total guanyada pel sistema és de 2275 KJ.

Problema 2: La calor específica del ferro és de 0,45 J/g°C. Quina massa de ferro es necessita per a una transferència de calor de 1200 Joules si el canvi de temperatura és de 40 °C?

Solució:

Segons la pregunta,

Calor específica del ferro, c = 0,45 J/g°C

fila i columna

Canvi de temperatura, ΔT = 40°C

Quantitat de calor transferida, Q = 1200 J

Utilitzant la fórmula de transferència de calor,

Q = c × m × ΔT

m = Q /(c x ΔT)

m = 1200 /(0,45 x 40)

m = 66,667 g

Per tant, la massa de ferro necessària per a una transferència de calor de 1200 Joules és de 66,667 grams.

Problema 3: Considereu dues columnes d'aigua a diferents temperatures separades per una paret de vidre de 3 m de longitud i 1,5 m d'amplada i un gruix de 0,005 m. Una columna d'aigua està a 380K i l'altra a 120K. Calcula la quantitat de calor transferida si la conductivitat tèrmica del vidre és 1,4 W/mK.

Solució:

Segons la pregunta,

Conductivitat tèrmica del vidre, k = 1,4 W/mK.

Temperatura de la primera columna d'aigua, T _{Calent= 380K}

Temperatura de la segona columna d'aigua, T _{Fred = 120K}

Àrea de la paret de vidre que separa dues columnes, A = longitud x amplada = 3 m x 1,5 m = 4,5 m ²

Gruix del vidre, d = 0,005 m

Utilitzant la fórmula de transferència de calor per a conducció,

Q = kA(T _Calent -T _Refredat )t/d

Q = 1,4 x 4,5 (380-120) / 0,005

Q = 327600 W

Per tant, la quantitat de calor transferida és de 327600 watts.

Problema 4: Calculeu la transferència de calor per convecció si el coeficient de transferència de calor d'un medi és de 8 W/(m ^2​ K) i el la superfície és de 25 m ² i la diferència de temperatura és de 20K.

Solució:

Segons la pregunta,

Coeficient de transferència de calor, H _c = 8 W/(m ^2​ K)

Àrea, A = 25m ²

Canvis de temperatura, (T _Calent – T _Refredat) = 20K

Utilitzant la fórmula de transferència de calor per a la convecció,

Q = H _c A (T _Calent -T _Refredat )

Q = 8 x 25 x 20

Q = 4000 W

Per tant, la quantitat de calor transferida per convecció és de 4000 watts.

constants java

Problema 5: Calcula la calor transferida per radiació entre dos cossos negres a temperatures de 300K i 430K i l'àrea del medi és de 48 m ² . (Donada la constant de Stefan Boltzmann, σ = 5,67 x 10 ^-8 W/(m ² K ⁴ ) ).

Solució:

Segons la pregunta,

Temperatura del cos calent, T_Calent= 430K

Temperatura del cos fred, T_Refredat= 300K

Canvis de temperatura, (T_Calent– T_Refredat) = 430K – 300K = 130K

Àrea, A = 48 m²

Constant de Stefan Boltzmann, σ = 5,67 x 10^-8W/(m²K⁴)

Utilitzant la fórmula de transferència de calor per a la radiació,

Q = σ (T_Calent-T_{Fred) 4}A

Q = 5,67 x 10^-8x 130⁴x 48

Q = 777,3 W

Per tant, la quantitat de calor transferida a través de la radiació és de 777,3 watts.