Căldura și temperatura sunt două concepte strâns legate, dar diferite. Temperatura măsoară cât de „fierbinte” sau „rece” este un corp, fiind o măsură a energiei cinetice medii a moleculelor. Căldura este energia termică transferată între două corpuri cu temperaturi diferite. Căldura curge întotdeauna de la corpul cu temperatură mai mare spre cel cu temperatură mai mică.
Dilatarea termică este fenomenul prin care corpurile își măresc volumul atunci când sunt încălzite. De exemplu, lichidele se dilată în termometre, iar șinele de cale ferată au spații de dilatare pentru a nu se deforma vara. Dilatarea poate fi liniară (pentru lungimi), superficială (pentru suprafețe) sau volumică (pentru volume).
Un caz special este apa, care se dilată neobișnuit între 0°C și 4°C, devenind mai densă la 4°C.
Calorimetria studiază măsurarea căldurii. Căldura specifică (notată cu c) este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura unui kilogram dintr-o substanță cu 1°C. Formula de bază este: Q = m·c·ΔT, unde Q este căldura absorbită sau cedată, m este masa, c este căldura specifică, iar ΔT este variația de temperatură.
Schimbările stării de agregare sunt transformări fizice în care substanța trece dintr-o stare în alta, fără a-și modifica compoziția chimică. Acestea sunt:
În timpul unei schimbări de stare, temperatura rămâne constantă până când întreaga masă a trecut în noua stare. Căldura absorbită sau cedată se numește căldură latentă (L) și se calculează cu formula: Q = m·L.
Exemplul 1: Dilatarea unei șine de cale ferată
O șină de oțel are lungimea de 20 m la 0°C. Cu cât se dilată vara, când temperatura ajunge la 40°C? Coeficientul de dilatare liniară al oțelului este α = 1,2·10⁻⁵ /°C.
*Raționament*: Folosim formula dilatării liniare: ΔL = L₀·α·ΔT. L₀ = 20 m, α = 1,2·10⁻⁵ /°C, ΔT = 40°C - 0°C = 40°C.
ΔL = 20 m × 1,2·10⁻⁵ /°C × 40°C = 20 × 1,2 × 40 × 10⁻⁵ = 960 × 10⁻⁵ = 0,0096 m = 9,6 mm.
*Răspuns*: Șina se dilată cu 9,6 mm, de aceea se lasă spații de dilatare între șine.
Exemplul 2: Încălzirea apei
Câtă căldură este necesară pentru a încălzi 2 kg de apă de la 20°C la 80°C? Căldura specifică a apei este c = 4185 J/(kg·°C).
*Raționament*: Aplicăm formula Q = m·c·ΔT. m = 2 kg, c = 4185 J/(kg·°C), ΔT = 80°C - 20°C = 60°C.
Q = 2 kg × 4185 J/(kg·°C) × 60°C = 2 × 4185 × 60 = 502200 J = 502,2 kJ.
*Răspuns*: Este nevoie de 502,2 kJ pentru a încălzi apa.
Exemplul 3: Topirea gheții
Câtă căldură absoarbe un cub de gheață de 500 g la 0°C pentru a se topi complet? Căldura latentă de topire a gheții este L = 334 kJ/kg.
*Raționament*: Folosim formula Q = m·L. m = 500 g = 0,5 kg, L = 334 kJ/kg.
Q = 0,5 kg × 334 kJ/kg = 167 kJ.
*Răspuns*: Gheața absoarbe 167 kJ pentru a se topi, fără să-și schimbe temperatura (rămâne la 0°C până se topește complet).
1. Confundarea căldurii cu temperatura. Mulți elevi cred că un corp „are căldură” sau că temperatura este aceeași cu energia termică. De fapt, căldura este energie transferată, nu o proprietate a corpului. Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii.
2. Ignorarea constantei temperaturii în timpul schimbării de stare. Când încălzești gheața, temperatura rămâne 0°C până se topește tot gheața. Nu confunda această perioadă cu încălzirea propriu-zisă.
3. Aplicarea greșită a formulelor. În dilatare, nu uita să transformi unitățile (de exemplu, cm în m). La căldură, asigură-te că ΔT este diferența de temperatură, nu temperatura finală.
Vrei exerciții pe lecția asta + AI care te ajută pas cu pas?
Cont gratuit — 20 întrebări AI/zi, exerciții nelimitate.