Ειδική θερμότητα σε αυτό που αποτελείται, πώς υπολογίζεται και παραδείγματα

Το συγκεκριμένη θερμότητα είναι η ποσότητα ενέργειας που ένα γραμμάριο μιας συγκεκριμένης ουσίας πρέπει να απορροφήσει για να αυξήσει τη θερμοκρασία του κατά ένα βαθμούς Κελσίου. Είναι μια έντονη φυσική ιδιότητα, αφού δεν εξαρτάται από τη μάζα να εκφράζεται μόνο για ένα γραμμάριο ουσίας. ωστόσο, σχετίζεται με τον αριθμό των σωματιδίων και τη μοριακή μάζα των σωματιδίων, καθώς και με τις ενδομοριακές δυνάμεις που τις συνδέουν.

Η ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από την ουσία εκφράζεται σε μονάδες joule (J) και λιγότερο συχνά σε θερμίδες (Cal). Γενικά, υποτίθεται ότι η ενέργεια απορροφάται από τη θερμότητα. Εντούτοις, η ενέργεια μπορεί να προέρχεται από άλλη πηγή, όπως η εργασία που γίνεται στην ουσία (για παράδειγμα, η αυστηρή ανάδευση).

Η πάνω εικόνα δείχνει μια τσαγιέρα από την οποία απελευθερώνονται οι ατμοί νερού που παράγονται από τη θέρμανση. Για να θερμάνει το νερό, πρέπει να απορροφήσει τη θερμότητα από τη φλόγα που βρίσκεται κάτω από την τσαγιέρα. Έτσι, όσο περνάει ο καιρός και ανάλογα με την ένταση της φωτιάς, το νερό θα βράσει όταν φτάσει στο σημείο βρασμού του.

Η συγκεκριμένη θερμότητα καθορίζει πόση ενέργεια καταναλώνει το νερό για κάθε βαθμό ° C που αυξάνει τη θερμοκρασία του. Αυτή η τιμή είναι σταθερή αν διαφορετικοί όγκοι νερού θερμαίνονται στην ίδια τσαγιέρα, αφού όπως αναφέρθηκε στην αρχή, είναι μια εντατική ιδιότητα.

Αυτό που ποικίλλει είναι η συνολική ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από κάθε θερμαινόμενο σώμα νερού, γνωστή και ως θερμική ικανότητα. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του νερού που πρόκειται να θερμανθεί (2, 4, 10, 20 λίτρα), τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμική του ικανότητα. αλλά η συγκεκριμένη θερμότητά του εξακολουθεί να είναι η ίδια.

Αυτή η ιδιότητα εξαρτάται από την πίεση, τη θερμοκρασία και την ένταση. Ωστόσο, για σκοπούς απλής κατανόησης, παραλείπονται οι αντίστοιχες παραλλαγές τους.

Ευρετήριο

• 1 Ποια είναι η συγκεκριμένη θερμότητα;?
• 2 Πώς υπολογίζεται η συγκεκριμένη θερμότητα?
  • 2.1 Το νερό ως σημείο αναφοράς
  • 2.2 Θερμική ισορροπία
  • 2.3 Μαθηματική ανάπτυξη
  • 2.4 Παράδειγμα υπολογισμού
• 3 Παραδείγματα
  • 3.1 Νερό
  • 3.2 Πάγος
  • 3.3 Αλουμίνιο
  • 3.4 Σίδερο
  • 3.5 Αέρας
  • 3,6 Ασημί
• 4 Αναφορές

Ποια είναι η συγκεκριμένη θερμότητα?

Καθορίστηκε ποια ήταν η συγκεκριμένη θερμότητα για μια δεδομένη ουσία. Ωστόσο, το πραγματικό της νόημα εκφράζεται καλύτερα με τον τύπο του, ο οποίος καθιστά σαφές μέσω των μονάδων του τις διαφορές που υπάρχουν όταν αναλύει τις μεταβλητές από τις οποίες εξαρτάται. Ο τύπος του είναι:

Ce = Q / ΔT · m

Όπου Q είναι η απορροφούμενη θερμότητα, ΔT η μεταβολή θερμοκρασίας και m είναι η μάζα της ουσίας. ότι σύμφωνα με τον ορισμό αντιστοιχεί σε ένα γραμμάριο. Αν κάνετε ανάλυση των μονάδων σας, έχετε:

Ce = J / ºC · g

Το οποίο μπορεί επίσης να εκφραστεί με τους ακόλουθους τρόπους:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ºC · Kg

Το πρώτο είναι το απλούστερο και με αυτό τα παραδείγματα θα εξεταστούν στις επόμενες ενότητες.

Ο τύπος αναφέρει ρητά την ποσότητα απορροφούμενης ενέργειας (J) κατά ένα γραμμάριο ουσίας κατά ένα βαθμό ° C Εάν θελήσατε να καθαρίσετε αυτή την ποσότητα ενέργειας, θα έπρεπε να αφήσετε στην άκρη την εξίσωση J:

J = Ce · ºC · g

Αυτό που εκφράστηκε με πιο κατάλληλο τρόπο και σύμφωνα με τις μεταβλητές θα ήταν:

Q = Ce · ΔT · m

Πώς υπολογίζεται η συγκεκριμένη θερμότητα?

Το νερό ως σημείο αναφοράς

Στην προηγούμενη φόρμουλα το «m» δεν αντιπροσωπεύει ένα γραμμάριο ουσίας, επειδή είναι ήδη σιωπηρά στο Ce. Ο τύπος αυτός είναι πολύ χρήσιμος για τον υπολογισμό των ειδικών θεραπειών διαφόρων ουσιών μέσω θερμιδομετρίας.

Πώς; Χρησιμοποιώντας τον ορισμό των θερμίδων, η οποία είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός γραμμαρίου νερού από 14,5 έως 15,5 ° C. Αυτό είναι ίσο με 4.184 J.

Η ειδική θερμότητα του νερού είναι ασυνήθιστα υψηλή και αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των ειδικών θεραπειών άλλων ουσιών που γνωρίζουν την τιμή των 4.184 J.

Τι σημαίνει ότι μια συγκεκριμένη θερμότητα είναι υψηλή; Αυτό αντιτίθεται σε σημαντική αντοχή στην αύξηση της θερμοκρασίας, επομένως πρέπει να απορροφήσει περισσότερη ενέργεια. δηλαδή, το νερό πρέπει να θερμαίνεται πολύ περισσότερο σε σύγκριση με άλλες ουσίες, οι οποίες κοντά σε μια πηγή θερμότητας θερμαίνονται σχεδόν αμέσως.

Για το λόγο αυτό το νερό χρησιμοποιείται στις θερμιδομετρικές μετρήσεις, καθώς δεν παρατηρείται απότομη μεταβολή της θερμοκρασίας όταν απορροφάται η ενέργεια που απελευθερώνεται από τις χημικές αντιδράσεις. ή, σε αυτήν την περίπτωση, να έρθει σε επαφή με άλλο θερμότερο υλικό.

Θερμική ισορροπία

Επειδή το νερό χρειάζεται να απορροφήσει πολλή θερμότητα για να αυξήσει τη θερμοκρασία του, η θερμότητα μπορεί να προέρχεται από ένα ζεστό μέταλλο, για παράδειγμα. Λαμβάνοντας υπόψη τις μάζες του νερού και του μετάλλου, θα υπάρξει μια ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ των δύο, μέχρι να επιτευχθεί η λεγόμενη θερμική ισορροπία.

Όταν συμβεί αυτό, οι θερμοκρασίες νερού και μετάλλου ισοδυναμούν. Η θερμότητα που απελευθερώνεται από το θερμό μέταλλο είναι ίση με εκείνη που απορροφάται από το νερό.

Μαθηματική ανάπτυξη

Γνωρίζοντας αυτό, και με την τελευταία φόρμουλα για το Q που μόλις περιγράψαμε, έχουμε:

Q_Νερό= -Q_{Μέταλλο}

Το αρνητικό σημάδι δείχνει ότι η θερμότητα απελευθερώνεται από το θερμότερο σώμα (μέταλλο) στο ψυχρότερο σώμα (νερό). Κάθε ουσία έχει τη δική της ειδική θερμότητα Ce και τη μάζα της, έτσι ώστε αυτή η έκφραση πρέπει να αναπτυχθεί ως εξής:

Q_Νερό = Ce_Νερό ΔT_Νερό · Μ_Νερό = - (Ce_{Μέταλλο} ΔT_{Μέταλλο} · Μ_{Μέταλλο})

Το άγνωστο είναι το Ce_{Μέταλλο}, δεδομένου ότι στην θερμική ισορροπία η τελική θερμοκρασία τόσο για το νερό όσο και για το μέταλλο είναι η ίδια. Επιπλέον, οι αρχικές θερμοκρασίες του νερού και του μετάλλου είναι γνωστές πριν από την επαφή, καθώς και οι μάζες τους. Επομένως, πρέπει να καθαρίσουμε το Ce_{Μέταλλο}:

Ce_{Μέταλλο} = (Ce_Νερό ΔT_Νερό · Μ_Νερό) / (-ΔΤ_{Μέταλλο} · Μ_{Μέταλλο})

Χωρίς να ξεχνάμε ότι το Ce_Νερό είναι 4.184 J / ºC · g. Αν αναπτυχθεί το ΔT_Νερό και ΔΤ_{Μέταλλο}, θα είναι (Τ_στ - Τ_Νερό) και (Τ_στ - Τ_{Μέταλλο}), αντίστοιχα. Το νερό θερμαίνεται, ενώ το μέταλλο ψύχεται και συνεπώς το αρνητικό σήμα πολλαπλασιάζεται με ΔΤ_{Μέταλλο} διαμονή (Τ_{Μέταλλο} - Τ_στ). Διαφορετικά, ΔΤ_{Μέταλλο} θα είχε αρνητική τιμή για την ύπαρξη T_στ μικρότερο (ψυχρότερο) από το T_{Μέταλλο}.

Η εξίσωση τελικά εκφράζεται με αυτόν τον τρόπο:

Ce_{Μέταλλο} = Ce_Νερό · (Τ_στ - Τ_Νερό) · Μ_Νερό/ (Τ_{Μέταλλο} - Τ_στ) · Μ_{Μέταλλο}

Και μαζί του υπολογίζονται οι συγκεκριμένες θερμότητες.

Παράδειγμα υπολογισμού

Έχει μια σφαίρα από ένα παράξενο μέταλλο που ζυγίζει 130 γραμμάρια και με θερμοκρασία 90ºC. Αυτό βυθίζεται σε δοχείο νερού 100 g στους 25 ° C, μέσα σε ένα θερμιδόμετρο. Όταν επιτευχθεί η θερμική ισορροπία, η θερμοκρασία του δοχείου γίνεται 40 ° C. Υπολογίστε το μέταλλο Ce.

Η τελική θερμοκρασία, Τ_στ, Είναι 40ºC. Γνωρίζοντας τα άλλα δεδομένα, μπορείτε να καθορίσετε το Ce απευθείας:

Ce_{Μέταλλο} = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130 g

Ce_{Μέταλλο} = 0,965 J / ºC · g

Σημειώστε ότι η ειδική θερμότητα του νερού είναι περίπου τέσσερις φορές μεγαλύτερη από εκείνη του μετάλλου (4.184 / 0.965).

Όταν το Ce είναι πολύ μικρό, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση να ζεσταθεί. η οποία σχετίζεται με τη θερμική αγωγιμότητα και τη διάχυσή της. Ένα μέταλλο με υψηλότερο Ce θα τείνει να απελευθερώσει ή να χάσει περισσότερη θερμότητα, όταν έλθει σε επαφή με άλλο υλικό, σε σύγκριση με άλλο μέταλλο με χαμηλότερο Ce.

Παραδείγματα

Ειδικές θερμότητες για διαφορετικές ουσίες παρουσιάζονται παρακάτω.

Νερό

Η ειδική θερμότητα του νερού, όπως ειπώθηκε, είναι 4.184 J / ºC · g.

Χάρη σε αυτή την αξία, μπορεί να κάνει πολύ ήλιο στον ωκεανό και το νερό θα εξαντληθεί σχεδόν σε σημαντικό βαθμό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια θερμική διαφορά που δεν επηρεάζει τη θαλάσσια ζωή. Για παράδειγμα, όταν πηγαίνετε στην παραλία για να κολυμπήσετε, ακόμα και αν είναι ηλιόλουστη έξω, μπορείτε να αισθανθείτε μια χαμηλότερη, πιο δροσερή θερμοκρασία στο νερό.

Το ζεστό νερό χρειάζεται επίσης να απελευθερώσει πολλή ενέργεια για να κρυώσει. Στη διαδικασία, θερμαίνει τις μάζες του αέρα που κυκλοφορούν, αυξάνοντας ελαφρώς τις θερμοκρασίες (εύκρατες) στις παράκτιες περιοχές κατά τη διάρκεια των χειμώνων.

Ένα άλλο ενδιαφέρον παράδειγμα είναι ότι αν δεν σχηματίσαμε νερό, μια μέρα στον ήλιο θα μπορούσε να είναι θανατηφόρα, επειδή οι θερμοκρασίες του σώματός μας θα αυξηθούν γρήγορα.

Αυτή η μοναδική τιμή του Ce οφείλεται στις διαμοριακές γέφυρες υδρογόνου. Αυτές απορροφούν θερμότητα για να σπάσουν, έτσι αποθηκεύουν ενέργεια. Μέχρι να σπάσουν, τα μόρια του νερού δεν μπορούν να δονηθούν, αυξάνοντας τη μέση κινητική ενέργεια, η οποία αντανακλάται σε μια αύξηση της θερμοκρασίας.

Πάγος

Η ειδική θερμότητα του πάγου είναι 2,090 J / ºC · g. Όπως το νερό, έχει ασυνήθιστα υψηλή αξία. Αυτό σημαίνει ότι ένα παγόβουνο, για παράδειγμα, θα πρέπει να απορροφήσει μια τεράστια ποσότητα θερμότητας για να αυξήσει τη θερμοκρασία του. Ωστόσο, μερικά παγόβια του σήμερα έχουν απορροφήσει ακόμη και τη θερμότητα που απαιτείται για να λιώσει (λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης).

Αλουμίνιο

Η ειδική θερμότητα του αλουμινίου είναι 0.900 J / ºC · g. Είναι ελαφρώς χαμηλότερο από το μέταλλο της σφαίρας (0,965 J / ºC · g). Εδώ η θερμότητα απορροφάται για να δονείται τα μεταλλικά άτομα του αλουμινίου στις κρυσταλλικές της δομές και όχι μεμονωμένα μόρια συνδεδεμένα με διαμοριακές δυνάμεις.

Σίδερο

Η ειδική θερμότητα του σιδήρου είναι 0,444 J / ºC · g. Όντας λιγότερο από αλουμίνιο, σημαίνει ότι αντιτίθεται σε λιγότερη αντίσταση όταν θερμαίνεται. δηλαδή, πριν από μια φωτιά ένα κομμάτι σίδερο θα γίνει κόκκινο ζεστό πολύ πριν από ένα κομμάτι αλουμινίου.

Το αλουμίνιο, σε αντίθεση με τη θέρμανση, διατηρεί το φαγητό ζεστό περισσότερο όταν το περίφημο αλουμινόχαρτο χρησιμοποιείται για να τυλίξει τα σνακ.

Αέρας

Η ειδική θερμότητα του αέρα είναι περίπου 1.003 J / ºC · g. Αυτή η τιμή υπόκειται σε πολύ υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες επειδή αποτελείται από ένα μείγμα αερίων. Εδώ η θερμότητα απορροφάται για να δονείται τα μόρια αζώτου, οξυγόνου, διοξειδίου του άνθρακα, αργού, κλπ..

Ασημένιο

Τέλος, η ειδική θερμότητα για το ασήμι είναι 0,234 J / ºC · g. Από όλες τις ουσίες που αναφέρθηκαν, έχει τη χαμηλότερη τιμή του Ce.Αυτό σημαίνει ότι πριν από το σίδερο και το αλουμίνιο, ένα κομμάτι αργύρου θερμαίνεται πολύ περισσότερο ταυτόχρονα με τα άλλα δύο μέταλλα. Στην πραγματικότητα, εναρμονίζεται με την υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

Αναφορές

1. Serway & Jewett. (2008). Φυσική: για την επιστήμη και τη μηχανική. (Έβδομη έκδοση), τόμος 1, μάθηση των δεξιοτήτων.
2. Γουίττεν, Ντέιβις, Πεκ, Στάνλεϊ. (2008). Χημεία (Όγδοη έκδοση). Εκπαιδευτική εκπαίδευση.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 Νοεμβρίου 2018). Ειδική χωρητικότητα θερμότητας στη χημεία. Ανακτήθηκε από: thoughtco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Ειδική θερμότητα. Ανακτήθηκε από: scienceworld.wolfram.com
5. R Πλοίο. (2016). Ειδική θερμότητα. Γεωργικό κρατικό πανεπιστήμιο. Ανακτήθηκε από: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Ειδική θερμότητα Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org