Specifična toplota v tem, kaj je sestavljena, kako se izračuna in primeri



The specifične toplote je količina energije, ki jo mora absorbirati gram določene snovi, da bi povišal temperaturo za eno stopinjo Celzija. Je intenzivna fizikalna lastnost, saj ni odvisna od mase, izražene samo za gram snovi; vendar pa je povezana s številom delcev in molsko maso delcev ter medmolekularnimi silami, ki jih vežejo..

Količina energije, ki jo absorbira snov, je izražena v enotah džula (J) in manj pogosto v kalorijah (Cal). Na splošno se predpostavlja, da se energija absorbira skozi toploto; vendar lahko energija prihaja iz drugega vira, kot je delo na snovi (npr. strogo vznemirjenje)..

Na zgornji sliki je prikazan čajnik, iz katerega se sproščajo vodne hlape, ki nastanejo pri segrevanju. Za segrevanje vode mora absorbirati toploto iz plamena, ki se nahaja pod čajnikom. Tako se bo s časom in odvisno od intenzivnosti požara voda vrela, ko bo dosegla svoje vrelišče.

Specifična toplota določa, koliko energije porabi voda za vsako stopnjo ° C, ki poveča njeno temperaturo. Ta vrednost je konstantna, če se v istem čajniku segrejejo različne količine vode, saj je, kot je bilo omenjeno na začetku, to intenzivna lastnost..

Kar se razlikuje, je skupna količina energije, ki jo absorbira vsako segreto vodno telo, znano tudi kot toplotna zmogljivost. Večja je masa vode, ki jo je treba ogreti (2, 4, 10, 20 litrov), večja je njena toplotna moč; vendar je njegova specifična toplota še vedno ista.

Ta lastnost je odvisna od tlaka, temperature in volumna; za preprosto razumevanje pa se izpustijo ustrezne spremembe.

Indeks

  • 1 Kakšna je specifična toplota??
  • 2 Kako se izračuna specifična toplota?
    • 2.1 Voda kot referenca
    • 2.2 Toplotno ravnovesje
    • 2.3 Matematični razvoj
    • 2.4 Primer izračuna
  • 3 Primeri
    • 3.1 Voda
    • 3.2 Led
    • 3.3 Aluminij
    • 3.4 Železo
    • 3.5 Zrak
    • 3.6 Srebro
  • 4 Reference

Kakšna je specifična toplota?

Določeno je bilo, kakšna je specifična toplota za določeno snov. Vendar pa je njegov pravi pomen najbolje izražen z njegovo formulo, ki jasno razkriva svoje enote, ki so vplive pri analizi spremenljivk, od katerih je odvisna. Njegova formula je:

Ce = Q / ΔT · m

Kjer je Q absorbirana toplota, ΔT sprememba temperature, m pa masa snovi; da po definiciji ustreza enemu gramu. Naredite analizo svojih enot:

Ce = J / ºC · g

Ki se lahko izrazi tudi na naslednje načine:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ° C · Kg

Prvi je najpreprostejši in s tem bodo primeri obravnavani v naslednjih poglavjih.

Formula izrecno navaja količino energije, ki jo je absorbiral (J) z enim gramom snovi za 1 ° C. Če bi želeli očistiti to količino energije, bi morali zapustiti enačbo J:

J = Ce · ° C · g

To, ki je izraženo na ustreznejši način in v skladu s spremenljivkami, bi bilo:

Q = Ce · ΔT · m

Kako se izračuna specifična toplota?

Voda kot referenca

V prejšnji formuli 'm' ne predstavlja gram snovi, ker je že implicitno v Ce.Ta formula je zelo uporabna za izračun specifičnih toplotnih lastnosti različnih snovi s kalorimetrijo..

Kako? Uporaba definicije kalorij, ki je količina energije, potrebne za segrevanje gramov vode od 14,5 do 15,5 ° C; To je enako 4,184 J.

Specifična toplota vode je nenormalno visoka in ta lastnost se uporablja za merjenje specifičnih toplotnih vplivov drugih snovi, ki poznajo vrednost 4,184 J.

Kaj pomeni, da je specifična toplota visoka? To nasprotuje precejšnjemu uporu za povečanje njegove temperature, zato mora absorbirati več energije; to pomeni, da je treba vodo ogrevati veliko dlje v primerjavi z drugimi snovmi, ki se v bližini vira toplote skoraj takoj segrejejo.

Zato se voda uporablja pri kalorimetričnih meritvah, saj pri absorpciji energije, ki se sprosti pri kemičnih reakcijah, ne pride do nenadnih sprememb temperature; ali v tem primeru stik z drugim vročim materialom.

Toplotna bilanca

Ker mora voda absorbirati veliko toplote, da bi zvišala temperaturo, lahko toplota pride na primer iz vroče kovine. Ob upoštevanju mase vode in kovine se izmenjava toplote med obema pojavlja, dokler se ne doseže tako imenovano toplotno ravnovesje..

Ko se to zgodi, se temperatura vode in kovin izenači. Toplota, ki jo sprosti vroča kovina, je enaka toploti, ki jo absorbira voda.

Matematični razvoj

Če vemo to, in s pravkar opisano zadnjo formulo za Q imamo:

QVoda= -QKovina

Negativni znak kaže, da se toplota sprosti iz najbolj vročega telesa (kovine) v najhladnejše telo (vodo). Vsaka snov ima svojo specifično toploto Ce in njeno maso, zato je treba ta izraz razviti na naslednji način:

QVoda = CeVoda · ΔTVoda · MVoda = - (CeKovina · ΔTKovina · MKovina)

Neznana je CeKovina, ker je v toplotnem ravnovesju končna temperatura za vodo in kovino enaka; Poleg tega so poznane začetne temperature vode in kovine pred kontaktom, kot tudi njihove mase. Zato moramo očistiti CeKovina:

CeKovina = (CeVoda · ΔTVoda · MVoda) / (-ΔT)Kovina · MKovina)

Ne pozabimo na CeVoda znaša 4,184 J / ° C · g. Če se razvije ΔTVoda in ΔTKovina, to bo (Tf - TVoda) in (Tf - TKovina). Voda se segreva, medtem ko se kovina ohlaja, zato se negativni znak pomnoži z ΔTKovina bivanje (TKovina - Tf). V nasprotnem primeru ΔTKovina bi imela negativno vrednost za Tf manjši (hladnejši) kot TKovina.

Enačba se nato končno izrazi na ta način:

CeKovina = CeVoda · (Tf - TVoda) · MVoda/ (TKovina - Tf) · MKovina

S tem se izračunajo specifične toplote.

Primer izračuna

Ima kroglo čudne kovine, ki tehta 130 g in ima temperaturo 90 ° C. To se potopi v posodo s 100 g vode pri 25 ° C, v kalorimetru. Ko je doseženo termično ravnovesje, temperatura posode postane 40 ° C. Izračunajte kovino Ce.

Končna temperatura, Tf, Je 40 ° C. Če poznate druge podatke, lahko Ce neposredno določite:

CeKovina = (4,184 J / ºC · g · (40 - 25) ° C · 100 g) / (90 - 40) ° C · 130 g

CeKovina = 0,965 J / ° C · g

Upoštevajte, da je specifična toplota vode približno štirikrat večja od kovine (4.184 / 0.965).

Če je Ce zelo majhna, večja je nagnjenost k ogrevanju; ki je povezana s toplotno prevodnostjo in difuzijo. Kovina z višjo Ce bo sprostila ali izgubila več toplote, ko pride v stik z drugim materialom, v primerjavi z drugo kovino z nižjo Ce \ t.

Primeri

Spodaj so prikazane specifične toplote za različne snovi.

Voda

Specifična toplota vode, kot je bilo rečeno, znaša 4.184 J / ° C · g.

Zahvaljujoč tej vrednosti lahko v oceanu proizvede veliko sonca, voda pa bo komajda izhlapela. To ima za posledico toplotno razliko, ki ne vpliva na morsko življenje. Na primer, ko greste na plažo, da plavate, tudi če je zunaj sončno, lahko občutite nižjo, hladnejšo temperaturo v vodi.

Topla voda mora tudi sprostiti veliko energije, da se ohladi. V postopku se segreje krožne zračne mase, pri čemer se v obalnih območjih med zimami nekoliko povečajo temperature (zmerno)..

Še en zanimiv primer je, da če ne bi nastala voda, bi bil dan na soncu smrtonosen, ker bi se temperature naših teles hitro dvignile..

Ta edinstvena vrednost Ce je posledica medmolekularnih vodikovih mostov. Te absorbirajo toploto, da se razbijejo, zato shranjujejo energijo. Dokler niso zlomljene, vodne molekule ne morejo vibrirati, kar povečuje povprečno kinetično energijo, kar se odraža v povišanju temperature..

Led

Specifična toplota ledu je 2,090 J / ° C · g. Tako kot voda ima nenavadno visoko vrednost. To pomeni, da bi ledena gora, na primer, morala absorbirati veliko količino toplote, da bi povečala svojo temperaturo. Vendar pa so nekatere današnje ledene gore celo absorbirale toploto, potrebno za taljenje (latentna toplota fuzije)..

Aluminij

Specifična toplota aluminija znaša 0,900 J / ° C · g. Je nekoliko nižja od kovine krogle (0,965 J / ° C · g). Tu se toplota absorbira, da vibrira kovinske atome aluminija v svojih kristalnih strukturah, in ne posameznih molekul, ki jih združujejo medmolekularne sile.

Železo

Specifična toplota železa je 0,444 J / ° C · g. Ker je manj kot aluminij, pomeni, da pri segrevanju nasprotuje manjšemu uporu; to pomeni, da bo pred požari kos železa postal rdeč, dolgo pred aluminijastim kosom.

Aluminij, v nasprotju z ogrevanjem, ohranja hrano vročo dlje, ko se za zavijanje prigrizkov uporablja znana aluminijasta folija.

Zrak

Specifična toplota zraka je približno 1,003 J / ° C · g. Ta vrednost je zelo odvisna od pritiskov in temperatur, ker je sestavljena iz mešanice plinov. Tu se toplota absorbira, da vibrira molekule dušika, kisika, ogljikovega dioksida, argona itd..

Srebrna

Končno, specifična toplota za srebro je 0,234 J / ° C · g. Od vseh omenjenih snovi ima najnižjo vrednost Ce.To pomeni, da bi pred železom in aluminijem kos srebra ogreval veliko več ob istem času kot druga dva kovina. Pravzaprav se usklajuje z visoko toplotno prevodnostjo.

Reference

  1. Serway & Jewett. (2008). Fizika: za znanost in tehniko. (Sedma izdaja), Zvezek 1, Cengage Learning.
  2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemija (Osma izdaja). Učenje Cengage.
  3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5. november 2018). Specifična toplotna zmogljivost v kemiji. Vzpostavljeno iz: thoughtco.com
  4. Eric W. Weisstein. (2007). Specifična toplota. Vzpostavljeno iz: scienceworld.wolfram.com
  5. R Ladja. (2016). Specifična toplota. Državna univerza Georgia. Vzpostavljeno iz: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  6. Wikipedija. (2019). Specifična toplota Vzpostavljeno iz: en.wikipedia.org