LED je jednou z nejběžnějších a nejdůležitějších látek na Zemi. Používá se v různých oblastech života, od výroby potravin až po stavebnictví. Pochopení jeho vlastností a chování v různých podmínkách je pro mnoho vývojů zásadní a to je jeden z důvodů, proč se lidé ptají, o kolik stupňů klesne jeho teplota, když se změní hmotnost.
K zodpovězení této otázky je však nutné se obrátit na fyzikální zákon - zákon zachování energie. Když na led působí vnější síla, která mění jeho teplotu, dochází k přenosu energie. Velikost tohoto přenosu tedy určuje, o kolik stupňů se změní teplota ledu.
Snížení teploty ledu
Při růstu nebo poklesu teploty voda prochází fázovým přechodem z kapalného do pevného a naopak. Při poklesu teploty vody se mění v LED.
Každá látka má bod tání, který se rovná bodu přechodu dané látky z kapalného stavu do pevného. Teplota tání ledu za normálních podmínek je 0 stupňů Celsia.
Teplota tání ledu se však může změnit, pokud na něj působí tlak nebo se přidávají další látky. Snížení teploty ledu lze provést přidáním solí, alkoholu nebo jiných chemikálií. V důsledku přidání těchto látek se teplota tání ledu snižuje a lze dosáhnout záporných hodnot Celcius.
Chcete-li vypočítat, o kolik stupňů klesne teplota ledu, když na něj působí tlak, musíte znát koeficient změny teploty v závislosti na změně tlaku. Koeficient změny teploty je přibližně 0.0072 stupňů Celsia na 1 atmosférický tlak.
Řekněme, že na led o hmotnosti 50 kg působí tlak o velikosti 2 atmosféry. Pak bude pokles teploty ledu stejný:
| Hmotnost ledu, kg | Tlak, ATM | Snížení teploty, °C |
|---|---|---|
| 50 | 2 | 0.0072 * 2 = 0.0144 |
Při působení tlaku o velikosti 2 atmosféry na led o hmotnosti 50 kg se tak teplota ledu sníží o 0,0144 stupně Celsia.
Vliv hmoty
Hmotnost ledu má významný vliv na to, jak výrazně klesne jeho teplota. V tomto případě zvažte LED o hmotnosti 50 kg.
Jak je známo, ke snížení teploty ledu dochází pod vlivem vnějšího prostředí. LED začne absorbovat teplo z okolního prostředí, dokud se veškeré kapalné teplo nezmění na teplo potřebné k tání ledu.
V tomto případě je znalost hmotnosti ledu důležitá pro určení doby, po kterou LED sníží svou teplotu. Čím větší je hmotnost ledu, tím více tepla potřebuje absorbovat, aby se roztavil. To znamená, že teplota ledu o hmotnosti 50 kg klesne o nižší hodnotu ve srovnání s ledem o nižší hmotnosti.
Hmotnost ledu tedy hraje důležitou roli v procesu snižování jeho teploty. Čím větší hmotnost, tím výraznější pokles teplot lze očekávat.
Kvantitativní závislost
Kvantitativní závislost umožňuje určit, o kolik stupňů klesne teplota ledu, když se změní jeho hmotnost. K tomu je třeba vzít v úvahu, že měrná tepelná kapacita ledu je 2090 J/(kg·k).
Řekněme, že počáteční teplota ledu je 0°C. nechte jeho hmotnost 50 kg. k určení množství tepla potřebného k zahřátí nebo ochlazení těla se používá vzorec:
Q = mcΔT,
kde Q - množství tepla, m - tělesná hmotnost, c - měrná tepelná kapacita, ΔT – změna teploty.
V našem případě použijeme vzorec k určení změny teploty:
ΔT = Q / (mc).
Tím, že dosadíme známé hodnoty, získáme:
ΔT = Q / (50 kg * 2090 J/(kg·k)).
Kvantitativní závislost tedy umožňuje určit, o kolik stupňů klesne teplota ledu o hmotnosti 50 kg s ohledem na jeho specifickou tepelnou kapacitu.
Fyzikální zákony
Jedním z fyzikálních zákonů studovaných v termodynamice je Heisenberg-Lenzův zákon. Podle tohoto zákona je tělesná teplota nepřímo úměrná změně energie.
Pro příklad si představme LED o hmotnosti 50 kg.pokud vnější podmínky vedou ke snížení teploty ledu, pak podle Heisenberg-Lenzova zákona energie ledových částic klesá. To vede ke snížení teploty ledu a jeho přechodu do pevného agregátního stavu.
Pro stanovení konkrétní velikosti změny teploty ledu je v tomto případě nutné znát množství energie přenesené nebo odebrané ze systému. Vzorec pro výpočet změny teploty může být v tomto případě uveden následovně:
ΔT = Q / (m * c)
kde ΔT - změna teploty, Q - množství energie, m - množství ledu, c - specifická tepelná kapacita látky.
Chcete-li tedy zjistit, o kolik stupňů klesne teplota ledu o hmotnosti 50 kg, musíte zvážit přenos/návrat energie a specifickou tepelnou kapacitu ledu.
Analytický výpočet
Pro analytický výpočet lze použít Fry-Callonův zákon, který popisuje závislost mezi změnou teploty a množstvím tepla:
Q = m * c * deltaT
- Q-množství tepla,
- m-hmotnost látky (ledu),
- c-měrná tepelná kapacita látky,
- deltaT - změna teploty.
U ledu je měrná tepelná kapacita c 2090 J / (kg*k).
Abychom tedy určili, jak moc klesne teplota ledu o hmotnosti 50 kg, musíme znát množství tepla, které bude při této změně teploty dáno nebo získáno.
Nyní můžeme provést výpočet:
Q = m * c * deltaT
Q = 50 kg * 2090 J/(kg*k) * deltaT
Q = 104500 J/K * deltaT
Nechte teploty klesnout o x stupňů. Tehdy:
Q = 104500 J/K * x
Změna teploty způsobí tepelné ztráty:
- Pokud teplota klesne o X stupňů, množství odevzdaného tepla bude Q.
- Podle toho se led ochladí o x stupňů.
K určení, o kolik klesne teplota ledu o hmotnosti 50 kg, je tedy nutné najít x, pro které se rovnice provádí:
104500 J / K * x = Q
kde Q je množství tepla, které led uvolní, když se teplota sníží.
Energie a změna stavu
Když látka získává energii ve formě tepla, její molekuly se začnou pohybovat rychleji, což vede ke zvýšení teploty. Na druhou stranu, pokud látka ztrácí energii, její molekuly se zpomalují, což vede ke snížení teploty.
Změnu teploty ledu lze zvážit na příkladu. V tomto případě, když LED získává teplo, jeho teplota stoupá a začne se tát a mění se ve vodu. Pokud je okolní teplota větší než nula stupňů Celsia, teplo se přenáší z ledu do prostředí a teplota ledu klesá.
Teplota se mění úměrně množství tepla, které látka přijímá nebo ztrácí. Když se teplo přenáší z jedné látky do druhé, přechází z látky s vyšší teplotou na látku s nižší teplotou, dokud se teploty nevyrovnají.
Chcete-li tedy zjistit, o kolik stupňů klesne teplota ledu o hmotnosti 50 kg, musíte znát množství tepla, které ztratí. To závisí na různých faktorech, jako je životní prostředí a doba, po kterou dochází k tepelným ztrátám.
Skutečné podmínky
Aby bylo možné určit, o kolik klesne teplota ledu o hmotnosti 50 kg, je třeba vzít v úvahu řadu faktorů:
- Okolní teplota. Může ovlivnit rychlost ztráty tepla ledem a tím i jeho ochlazování.
- Tepelná kapacita ledu. U různých látek se liší a ovlivňuje rychlost tepelných ztrát.
- Izolování. Přítomnost nebo nepřítomnost jakékoli izolace může také změnit rychlost chlazení ledu.
- Konvekce. Míchání molekul prostředí může urychlit proces chlazení.
Všechny tyto faktory mohou ovlivnit konečnou velikost poklesu teploty ledu o hmotnosti 50 kg. Pro přesné určení této veličiny je nutné provádět speciální výpočty a experimenty v podmínkách, které jsou co nejblíže reálným. Takové studie mohou být prováděny v laboratorních podmínkách nebo v praxi, například v chladící komoře nebo venku.