حل سؤال تعادل گرمایی؛ تشخیص جهت انتقال گرما و دمای نهایی
حل سؤال تعادل گرمایی با تعیین جسم گرم و سرد، یکسان‌کردن گرمای از دست‌رفته و به‌دست‌آمده و کنترل بازه دمای نهایی انجام می‌شود؛ دمای تعادل باید بین دماهای اولیه دو جسم قرار بگیرد، مگر آنکه تغییر حالت یا منبع گرمایی در مسئله وجود داشته باشد.
حل سؤال تعادل گرمایی؛ از کجا شروع کنیم؟
در مسائل تعادل گرمایی، دو یا چند جسم پس از تماس به دمای مشترک می‌رسند. اگر تغییر حالت و اتلاف گرما نداشته باشیم، گرمای از دست‌رفته جسم گرم با گرمای گرفته‌شده جسم سرد برابر است. برای هر جسم باید علامت تغییر دما، جرم، گرمای ویژه و یکای دما جداگانه بررسی شود؛ استفاده از میانگین ساده فقط در شرایط خاص مجاز است.
روش گام‌به‌گام
- جسم‌های در تماس و دماهای اولیه آن‌ها را مشخص کنید و جسم گرم‌تر را از جسم سردتر جدا کنید.
- بررسی کنید آیا سامانه عایق است و آیا تغییر حالت، گرمای نهان یا منبع گرمایی در صورت سؤال وجود دارد.
- برای هر جسم رابطه گرمای مبادله‌شده را بنویسید: Q برابر جرم ضربدر گرمای ویژه ضربدر تغییر دما است.
- برای جسم گرم کاهش دما و برای جسم سرد افزایش دما را با علامت درست وارد کنید؛ سپس مجموع گرماهای مبادله‌شده را صفر قرار دهید.
- دمای نهایی را از معادله به دست آورید و بررسی کنید که بین دماهای اولیه قرار گرفته باشد.
- اگر جرم یا گرمای ویژه دو جسم برابر نیست، میانگین ساده دماها را به‌کار نبرید؛ وزن‌دهی با ظرفیت گرمایی لازم است.
یک قطعه آلومینیوم ۲۰۰ گرمی با دمای ۸۰ درجه سلسیوس در ۳۰۰ گرم آب با دمای ۲۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد. با صرف‌نظر از اتلاف گرما و با فرض گرمای ویژه آلومینیوم ۰٫۹ و آب ۴٫۲ ژول بر گرم درجه سلسیوس، دمای تعادل را بیابید. معادله برابر است با ۲۰۰×۰٫۹×(۸۰−T)=۳۰۰×۴٫۲×(T−۲۰). بنابراین ۱۴۴۰۰−۱۸۰T=۱۲۶۰T−۲۵۲۰۰ و T تقریباً ۳۵٫۷ درجه سلسیوس می‌شود؛ این مقدار بین ۲۰ و ۸۰ قرار دارد.
چطور این مبحث را مرور کنیم؟
برای کنترل پاسخ، مطمئن شوید جسم گرم در سمت کاهش دما و جسم سرد در سمت افزایش دما قرار گرفته است. ظرفیت گرمایی هر جسم باید از حاصل‌ضرب جرم و گرمای ویژه ساخته شود و دمای نهایی نباید از کمینه و بیشینه دماهای اولیه خارج شود. در صورت وجود تغییر حالت، رابطه ساده گرمای ویژه به‌تنهایی کافی نیست.
اشتباه رایج، گرفتن میانگین حسابی دماها یا برابر فرض‌کردن گرمای ویژه دو ماده است. همچنین اگر دمای نهایی خارج از بازه دماهای اولیه به دست آید، معمولاً علامت تغییر دما یا تبدیل یکاها نادرست وارد شده است.
جمع‌بندی
برای حل سؤال تعادل گرمایی، ظرفیت گرمایی هر جسم را جداگانه بنویسید، جهت تغییر دما را درست تعیین کنید و مجموع گرماهای مبادله‌شده را صفر قرار دهید. جای‌گذاری عددی تنها پس از مشخص‌شدن مدل فیزیکی مسئله انجام شود.
مطالعه مطلب آموزشی مرتبط ←