Caldura si temperatura; schimbul de caldura

Caldura si temperatura sunt doua marimi fizice distincte, dar strans legate intre ele. Temperatura masoara cat de cald sau de rece este un corp, fiind o masura a energiei cinetice medii a particulelor (atomi sau molecule) care il alcatuiesc. Cu cat particulele se misca mai rapid, cu atat temperatura este mai mare.

Unitatea de masura in Sistemul International este kelvinul (K), dar in practica se folosesc frecvent grade Celsius (°C). Transformarea intre ele este: T(K) = t(°C) + 273,15. Caldura, notata cu Q, este o forma de energie care se transfera de la un corp cu temperatura mai mare catre unul cu temperatura mai mica, pana la atingerea echilibrului termic (temperaturi egale).

Unitatea de masura pentru caldura este joule (J) sau caloria (cal): 1 cal = 4,18 J. Schimbul de caldura se poate realiza prin trei moduri: conductie (transfer prin contact direct intre corpuri solide, de exemplu o lingura metalica intr-o cana cu ceai cald se incalzeste la capatul rece), convectie (transfer prin miscarea unui fluid - lichid sau gaz, de exemplu aerul cald se ridica, cel rece coboara) si radiatie (transfer fara suport material, prin unde electromagnetice, de exemplu caldura de la Soare ajunge pe Pamant prin spatiul cosmic). Un concept important este caldura specifica (c), cantitatea de caldura necesara pentru a creste temperatura unui kilogram de substanta cu un grad Celsius.

Formula fundamentala a schimbului de caldura este Q = m * c * Δt, unde m este masa, c este caldura specifica, iar Δt este variatia de temperatura (Δt = t_finala - t_initiala). In procesele de schimb termic, se aplica principiul conservarii energiei: caldura pierduta de corpurile calde este egala cu caldura castigata de corpurile reci, neglijand pierderile catre mediul inconjurator: Q_pierdut = Q_primita.

Exemple

• Exemplul 1: Un pahar cu 200 g de apa la 20°C este incalzit pana la 80°C. Caldura specifica a apei este 4180 J/(kg·K). Sa se calculeze caldura absorbita de apa. Rezolvare: Q = m * c * Δt = 0,2 kg * 4180 J/(kg·K) * (80-20) K = 0,2 * 4180 * 60 = 50160 J = 50,16 kJ. Deci apa primeste 50,16 kJ de caldura.
• Exemplul 2: Un cub de aluminiu cu masa de 500 g si temperatura de 150°C este introdus in 1 L de apa la 20°C (caldura specifica apa 4180 J/(kg·K), aluminiu 900 J/(kg·K)). Sa se afle temperatura de echilibru, considerand sistemul izolat. Rezolvare: Q_pierdut = Q_primita. Notam t = temperatura finala. Aluminiul pierde: Q_Al = 0,5 * 900 * (150 - t). Apa primeste: Q_apa = 1 * 4180 * (t - 20). Egaland: 0,5*900*(150-t) = 4180*(t-20) => 450*(150-t) = 4180t - 83600 => 67500 - 450t = 4180t - 83600 => 67500+83600 = 4180t+450t => 151100 = 4630t => t ≈ 32,63°C.
• Exemplul 3: Explica de ce, intr-o zi de vara, nisipul de pe plaja devine foarte fierbinte, in timp ce apa marii ramane rece la suprafata. R: Datorita caldurii specifice foarte diferite. Apa are caldura specifica mare (4180 J/(kg·K)), ceea ce inseamna ca absoarbe multa caldura fara a se incalzi mult. Nisipul are caldura specifica mica (aproximativ 800 J/(kg·K)), deci cu aceeasi cantitate de caldura primita de la Soare, nisipul se incalzeste mai repede si atinge temperaturi mai ridicate.

Concepte cheie: Temperatura - masura a energiei cinetice medii a particulelor, unitate K sau °C, Caldura - energie transferata datorita diferentei de temperatura, unitate J sau cal, Schimb de caldura prin conductie, convectie si radiatie, Caldura specifica (c) - proprietate a materialului, Formula Q = m * c * Δt, Conservarea energiei: Q_pierdut = Q_primita