Sådan beregnes varmekapacitet

Hvis du ser overfladen af ​​en frossen dam langsomt smelte på en atypisk varm vinter eftermiddag, og ser det samme ske på overflade af en nærliggende frossen pyt i god størrelse, kan du se, at isen i hver ser ud til at blive omdannet til vand på omtrent det samme sats.

Men hvad nu hvis alt sollys, der faldt på den udsatte overflade af dammen, måske en acre i størrelse, samtidig var fokuseret på vandpytens overflade?

Din intuition fortæller dig sandsynligvis, at vandpytens overflade ikke kun ville smelte meget hurtigt i vand, men også hele pølen kan endda blive vanddamp næsten øjeblikkeligt og omgå væskefasen for at blive en vandig gas. Men hvorfor, fra et fysisk videnskabeligt synspunkt, skulle dette være?

Den samme intuition fortæller sandsynligvis dig, at der er et forhold mellem varme, masse og temperaturændringen på is, vand eller begge dele.

Når det sker, er dette tilfældet, og ideen strækker sig også til andre stoffer, som hver har forskellige "modstand" mod varme, som manifesteres i forskellige temperaturændringer som reaktion på en given mængde, hvis de tilsættes varme. Disse ideer kombinerer for at tilbyde begreberne

Varme er en af ​​de tilsyneladende utallige former for mængden kendt som energi i fysikken. Energi har enheder af kraft gange afstand eller newtonmeter, men dette kaldes normalt joule (J). I nogle applikationer er kalorien, svarende til 4,18 J, standardenheden; i endnu andre styrer btu eller den britiske temeenhed dagen.

Varme har tendens til at "bevæge sig" fra varmere til køligere områder, det vil sige til områder, hvori der i øjeblikket er mindre varme. Mens varmen ikke kan holdes eller ses, kan ændringer i dens størrelse måles via temperaturændringer.

Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af et sæt molekyler, som et bæger med vand eller en beholder med en gas. Tilsætning af varme øger denne molekylære kinetiske energi, og dermed temperaturen, mens den reduceres, sænker temperaturen.

Hvorfor er en joule lig med 4,18 kalorier? Fordi kalorieindholdet (cal), selvom det ikke er SI-enheden for varme, stammer fra metriske enheder og er grundlæggende på en måde: Det er mængden af ​​varme behov for at hæve et gram vand ved stuetemperatur med 1 K eller 1 ° C. (En 1-graders ændring på Kelvin-skalaen er identisk med en 1-graders ændring på Celsius-skalaen; de to er imidlertid forskudt med ca. 273 grader, således at 0 K = 273,15 ° C.)

• Den "kalorie" på fødevareetiketter er faktisk en kilocalorie (kcal), hvilket betyder, at en 12-ounce dåse med sukkerholdig sodavand indeholder omkring 150.000 ægte kalorier.

Den måde, man kan bestemme sådan på ved eksperimentering ved hjælp af vand eller et andet stof, er at placere en given masse af den i en beholder, tilsæt en given mængde varme uden at lade noget af stoffet eller varmen slippe ud af enheden, og mål ændringen i temperatur.

Da du kender stoffets masse og kan antage, at varme og temperatur er ensartede overalt, dig kan bestemme ved simpel opdeling, hvor meget varme der vil ændre en enhedsmængde, som 1 gram, med det samme temperatur.

Varmekapacitetsformlen kommer i forskellige former, men de svarer alle til den samme grundligning:

Q = mCΔT

Denne ligning siger simpelthen, at ændringen i varme Q i et lukket system (en væske, gas eller fast stof materiale) er lig med massen m af prøven gange temperaturændringen ΔT gange en parameter C hedder specifik varmekapaciteteller bare specifik varme. Jo højere C-værdi er, desto mere varme kan et system absorbere, samtidig med at den samme temperaturstigning opretholdes.

Varmekapacitet er den mængde varme, der er nødvendig for at øge temperaturen på et objekt med en bestemt mængde (normalt 1 K), så SI-enhederne er J / K. Objektet kan være ensartet, eller det kan det ikke være. Det ville være muligt groft at bestemme varmekapaciteten for en blanding af stoffer som mudder, hvis du kendte dens masse og målte dens temperaturændring som reaktion på opvarmning i en forseglet enhed af nogle sortere.

En mere nyttig mængde inden for kemi, fysik og teknik er specifik varmekapacitet Cmålt i varmeenheder pr. masseenhed. Specifikke varmekapacitetsenheder er normalt joule pr. Gram-kelvin eller J / g⋅K, selvom kilogram (kg) er SI-masseenheden. En af grundene til, at specifik varme er nyttig, er at hvis du har en kendt masse af et ensartet stof og kender dens varme kapacitet, kan du bedømme dets egnethed til at fungere som en "køleplade" for at undgå brandrisici i visse eksperimentelle situationer.

Vand har faktisk en meget høj varmekapacitet. I betragtning af at den menneskelige krop skal være i stand til at tolerere tilsætning eller subtraktion af betydelige mængder varme takket være jordens under forskellige forhold, ville dette være et grundlæggende krav for enhver biologisk enhed, der hovedsagelig består af vand, som næsten alt i alt levende ting er.

Forestil dig et sportsstadion med plads til 100.000 mennesker, og et andet på tværs af byen med plads til 50.000 mennesker. Med et blik er det klart, at den absolutte "pladskapacitet" på det første stadion er dobbelt så høj som det andet. Men forestil dig også, at det andet stadion er konstrueret på en sådan måde, at det kun optager en fjerdedel af volumen af ​​den første.

Hvis du laver algebra, finder du ud af, at det mindre stadion faktisk har dobbelt så mange mennesker pr. enhed som den større, hvilket giver den dobbelt så meget "den specifikke plads" -værdi.

I denne analogi kan du tænke på individuelle tilskuere som varmeenheder af samme størrelse, der flyder ind og ud af stadionet. Mens det større stadion kan rumme dobbelt så meget "varme" generelt, har det mindre stadion faktisk dobbelt så stor kapacitet til at "gemme" denne version af "varme" pr. Enhed.

Hvis hver sektion i begge stadioner i samme størrelse antages at producere den samme mængde affald efter spillet, når det er fyldt, uanset hvor mange mennesker det har, så vil den mindre være dobbelt så effektiv til at reducere kuldet af individuel tilskuere; tænk på dette som værende dobbelt så modstandsdygtigt over for temperaturstigninger pr. enhed tilsat varme.

Fra dette kan du se, at hvis to objekter med den samme specifikke varme har forskellige masser, vil den større have en større varmekapacitet med et beløb, der skalerer med hvor meget mere massiv det er. Når man sammenligner objekter med forskellige masser og forskellige specifikke varmer, bliver situationen mere kompleks.

Metalkobberet har en specifik varme på 0,386 J / g⋅K. Hvor meget varme er der brug for for at hæve temperaturen på 1 kg (1.000 g eller 2,2 pund) kobber fra 0 ° C til 100 ° C?
Q = (m) (C) (AT) = (1.000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38,600 J = 38,6 kJ.

Hvad er Varmekapacitet af dette stykke kobber? Du har brug for 38.600 J for at hæve hele massen med 100 K, så du skal bruge 1/100 af denne for at skubbe den op med 1 K. Således er varmekapaciteten for kobber i denne størrelse 386 J.