Ciepło właściwe w tym, co składa, jak jest obliczane i przykłady

The ciepło właściwe to ilość energii, którą gram danej substancji musi wchłonąć, aby zwiększyć jej temperaturę o jeden stopień Celsjusza. Jest to intensywna właściwość fizyczna, ponieważ nie zależy od masy, która ma być wyrażona tylko dla grama substancji; wiąże się jednak z liczbą cząstek i masą molową cząstek, a także z siłami międzycząsteczkowymi, które je wiążą.

Ilość energii pochłoniętej przez substancję jest wyrażona w jednostkach dżuli (J), a rzadziej w kaloriach (Cal). Ogólnie przyjmuje się, że energia jest absorbowana przez ciepło; jednak energia może pochodzić z innego źródła, na przykład z pracy nad substancją (na przykład rygorystyczne poruszenie).

Górny obraz pokazuje czajniczek, z którego uwalniane są pary wody generowane przez jego ogrzewanie. Aby podgrzać wodę, musi absorbować ciepło z płomienia znajdującego się pod czajnikiem. W miarę upływu czasu i w zależności od intensywności ognia woda będzie się gotować, gdy osiągnie punkt wrzenia.

Ciepło właściwe określa, ile energii zużywa woda na każdy stopień ° C, który zwiększa jej temperaturę. Wartość ta jest stała, jeśli różne ilości wody są podgrzewane w tym samym czajniku, ponieważ jak wspomniano na początku, jest to właściwość intensywna.

Zmienia się całkowita ilość energii pochłonięta przez każdą ogrzewaną część wody, znana również jako pojemność cieplna. Im większa masa wody do podgrzania (2, 4, 10, 20 litrów), tym większa jest jej pojemność cieplna; ale jego specyficzne ciepło jest wciąż takie samo.

Ta właściwość zależy od ciśnienia, temperatury i objętości; jednakże, dla celów prostego zrozumienia, ich odpowiednie odmiany są pomijane.

Indeks

• 1 Jakie jest ciepło właściwe??
• 2 Jak oblicza się ciepło właściwe?
  • 2.1 Woda jako odniesienie
  • 2.2 Równowaga termiczna
  • 2.3 Rozwój matematyczny
  • 2.4 Przykład obliczeń
• 3 Przykłady
  • 3.1 Woda
  • 3.2 Lód
  • 3.3 Aluminium
  • 3.4 Żelazo
  • 3.5 Powietrze
  • 3.6 Srebro
• 4 odniesienia

Jakie jest ciepło właściwe?

Określono, jakie ciepło właściwe jest przeznaczone dla danej substancji. Jednak jej prawdziwe znaczenie najlepiej wyraża się za pomocą formuły, która jasno określa jednostki, które są związane z analizami zmiennych, od których zależy. Jego formuła to:

Ce = Q / ΔT · m

Gdzie Q jest absorbowanym ciepłem, ΔT zmianą temperatury, im jest masą substancji; że zgodnie z definicją odpowiada jednemu gramowi. Analizując swoje jednostki masz:

Ce = J / ° C · g

Które można również wyrazić w następujący sposób:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ° C · kg

Pierwszy z nich jest najprostszy i właśnie z tym przykłady zostaną omówione w następnych sekcjach.

Wzór wyraźnie wskazuje ilość energii pochłoniętej (J) przez jeden gram substancji o jeden stopień ° C Gdybyś chciał wyczyścić tę ilość energii, musiałbyś pominąć równanie J:

J = Ce · ° C · g

Wyrażony w bardziej odpowiedni sposób i zgodnie ze zmiennymi będzie:

Q = Ce · AT · m

Jak oblicza się ciepło właściwe?

Woda jako odniesienie

W poprzedniej formule „m” nie reprezentuje gramu substancji, ponieważ jest już domyślnie w Ce. Ta formuła jest bardzo przydatna do obliczania określonych ciepła różnych substancji poprzez kalorymetrię.

Jak? Wykorzystanie definicji kalorii, czyli ilości energii potrzebnej do ogrzania grama wody z 14,5 do 15,5 ° C; To jest równe 4,184 J.

Ciepło właściwe wody jest nienormalnie wysokie, a ta właściwość jest używana do pomiaru specyficznych ciepła innych substancji znających wartość 4,184 J.

Co to znaczy, że określone ciepło jest wysokie? To sprzeciwia się znacznemu oporowi, aby zwiększyć jego temperaturę, więc musi absorbować więcej energii; to znaczy, woda musi być ogrzewana znacznie dłużej niż inne substancje, które w pobliżu źródła ciepła są ogrzewane niemal natychmiast.

Z tego powodu woda jest wykorzystywana w pomiarach kalorymetrycznych, ponieważ nie powoduje gwałtownych zmian temperatury podczas pochłaniania energii uwalnianej z reakcji chemicznych; lub w tym przypadku kontakt z innym cieplejszym materiałem.

Bilans cieplny

Ponieważ woda musi pochłaniać dużo ciepła w celu zwiększenia temperatury, ciepło może pochodzić na przykład z gorącego metalu. Biorąc pod uwagę masy wody i metalu, nastąpi wymiana ciepła między obiema grupami, aż do osiągnięcia tzw. Równowagi termicznej.

Gdy to nastąpi, woda i temperatura metalu zostają wyrównane. Ciepło uwalniane przez gorący metal jest równe ciepłu absorbowanemu przez wodę.

Rozwój matematyczny

Wiedząc o tym i opisując ostatnią formułę Q, mamy:

P_Woda= -Q_Metal

Znak ujemny wskazuje, że ciepło jest uwalniane z najgorętszego ciała (metalu) do najzimniejszego ciała (wody). Każda substancja ma swoje własne specyficzne ciepło Ce i jej masę, więc to wyrażenie musi być rozwinięte w następujący sposób:

P_Woda = Ce_Woda · ΔT_Woda · M_Woda = - (Ce_Metal · ΔT_Metal · M_Metal)

Nieznane jest Ce_Metal, ponieważ w równowadze termicznej temperatura końcowa zarówno wody, jak i metalu jest taka sama; Ponadto początkowe temperatury wody i metalu są znane przed kontaktem, jak również ich masy. Dlatego musimy oczyścić Ce_Metal:

Ce_Metal = (Ce_Woda · ΔT_Woda · M_Woda) / (-ΔT_Metal · M_Metal)

Nie zapominając o Ce_Woda wynosi 4,184 J / ° C · g. Jeśli ΔT są rozwinięte_Woda i ΔT_Metal, będzie (T_f - T_Woda) i (T_f - T_Metal), odpowiednio. Woda jest podgrzewana, podczas gdy metal stygnie, a zatem znak ujemny mnoży się do ΔT_Metal pobyt (T_Metal - T_f). W przeciwnym razie ΔT_Metal miałaby wartość ujemną za bycie T_f mniejszy (chłodniejszy) niż T_Metal.

Równanie jest następnie wyrażane w ten sposób:

Ce_Metal = Ce_Woda · (T_f - T_Woda) · M_Woda/ (T_Metal - T_f) · M_Metal

A wraz z nim obliczane są konkretne biegi.

Przykład obliczeń

Ma kulę dziwnego metalu o wadze 130 gi temperaturze 90 ° C. Jest on zanurzony w pojemniku na wodę 100 g w temperaturze 25 ° C, wewnątrz kalorymetru. Po osiągnięciu równowagi termicznej temperatura pojemnika osiąga 40 ° C. Oblicz metalowy Ce.

Temperatura końcowa, T_f, To jest 40ºC. Znając inne dane, możesz bezpośrednio określić Ce:

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

Ce_Metal = 0,965 J / ° C · g

Zauważ, że ciepło właściwe wody jest około czterokrotnie wyższe niż metalu (4,184 / 0,965).

Gdy Ce jest bardzo mały, tym większa jest tendencja do nagrzewania się; co jest związane z jego przewodnością cieplną i dyfuzją. Metal o wyższym Ce będzie miał tendencję do uwalniania lub utraty większej ilości ciepła, gdy wejdzie w kontakt z innym materiałem, w porównaniu z innym metalem o niższym Ce.

Przykłady

Specyficzne upały dla różnych substancji przedstawiono poniżej.

Woda

Ciepło właściwe wody, jak już powiedziano, wynosi 4,184 J / ° C · g.

Dzięki tej wartości może wytwarzać dużo słońca w oceanie, a woda prawie nie wyparuje w znaczącym stopniu. Powoduje to różnicę termiczną, która nie wpływa na życie morskie. Na przykład, kiedy idziesz na plażę, aby pływać, nawet jeśli jest słonecznie na zewnątrz, możesz poczuć niższą, chłodniejszą temperaturę w wodzie.

Gorąca woda musi także uwolnić dużo energii, aby się ochłodzić. W tym procesie ogrzewa masy krążącego powietrza, zwiększając nieco temperatury (umiarkowane) w regionach przybrzeżnych w okresie zimowym.

Innym interesującym przykładem jest to, że gdybyśmy nie byli uformowani przez wodę, dzień na słońcu może być śmiertelny, ponieważ temperatury naszych ciał gwałtownie wzrosną.

Ta unikalna wartość Ce wynika z międzycząsteczkowych mostków wodorowych. Pochłaniają one ciepło, które pęka, więc magazynują energię. Dopóki nie zostaną zerwane, cząsteczki wody nie mogą wibrować, zwiększając średnią energię kinetyczną, co znajduje odzwierciedlenie we wzroście temperatury.

Lód

Ciepło właściwe lodu wynosi 2090 J / ° C · g. Podobnie jak woda ma niezwykle wysoką wartość. Oznacza to, że na przykład góra lodowa musiałaby pochłonąć ogromną ilość ciepła, aby zwiększyć swoją temperaturę. Jednak niektóre dzisiejsze góry lodowe pochłonęły nawet ciepło potrzebne do stopienia (utajone ciepło fuzji).

Aluminium

Ciepło właściwe aluminium wynosi 0,900 J / ° C · g. Jest nieco niższy niż metal kuli (0,965 J / ° C · g). Tutaj ciepło jest absorbowane w celu wibrowania atomów metalu glinu w jego strukturach krystalicznych, a nie pojedynczych cząsteczek połączonych siłami międzycząsteczkowymi.

Żelazo

Ciepło właściwe żelaza wynosi 0,444 J / ° C · g. Ponieważ jest mniejszy niż aluminium, oznacza to, że przeciwstawia się mniejszej oporności podczas podgrzewania; to znaczy, przed pożarem kawałek żelaza rozgrzeje się do czerwoności na długo przed kawałkiem aluminium.

Aluminium, w przeciwieństwie do ogrzewania, dłużej utrzymuje temperaturę żywności, gdy do owijania przekąsek używana jest słynna folia aluminiowa.

Powietrze

Ciepło właściwe powietrza wynosi około 1,003 J / ° C · g. Ta wartość jest bardzo podatna na ciśnienia i temperatury, ponieważ składa się z mieszaniny gazów. Tutaj ciepło jest absorbowane w celu wibrowania cząsteczek azotu, tlenu, dwutlenku węgla, argonu itp..

Srebrny

Wreszcie ciepło właściwe dla srebra wynosi 0,234 J / ° C · g. Spośród wszystkich wymienionych substancji ma najniższą wartość Ce. Oznacza to, że przed żelazem i aluminium, kawałek srebra ogrzewałby znacznie więcej w tym samym czasie, co pozostałe dwa metale. W rzeczywistości harmonizuje z wysoką przewodnością cieplną.

Referencje

1. Serway & Jewett. (2008). Fizyka: dla nauki i inżynierii. (Wydanie siódme), tom 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chemia (Ósma edycja). Nauka Cengage.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 listopada 2018 r.). Specyficzna pojemność cieplna w chemii. Źródło: thinkco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Ciepło właściwe. Źródło: scienceworld.wolfram.com
5. R Statek. (2016). Ciepło właściwe. Georgia State University. Źródło: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Ciepło właściwe Źródło: en.wikipedia.org