Angenommen, Sie haben eine feste Menge Wasser in zwei verschiedene Bechergläser gegossen. Ein Becher ist hoch und schmal und der andere Becher ist hoch und breit. Wenn die Wassermenge in jedem Becher gleich ist, würden Sie erwarten, dass der Wasserstand im schmalen Becher höher ist.
Die Breite dieser Eimer entspricht dem Konzept der spezifischen Wärmekapazität. In dieser Analogie kann man sich das Wasser, das in die Eimer gegossen wird, als Wärmeenergie vorstellen, die zwei verschiedenen Materialien zugeführt wird. Der Niveauanstieg an den Bechern ist analog zum resultierenden Temperaturanstieg.
Was ist die spezifische Wärmekapazität?
Die spezifische Wärmekapazität eines Materials ist die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um eine Masseneinheit dieses Materials um 1 Kelvin (oder Grad Celsius) zu erhöhen. Die SI-Einheiten der spezifischen Wärmekapazität sind J/kgK (Joule pro Kilogramm × Kelvin).
Die spezifische Wärme variiert in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften eines Materials. Daher ist es ein Wert, den Sie normalerweise in einer Tabelle nachschlagen. Die Hitze
Qzu einem Massematerial hinzugefügtichmit spezifischer Wärmekapazitätcführt zu einer TemperaturänderungTbestimmt durch die folgende Beziehung:Q=mc\Delta T
Die spezifische Wärme des Wassers
Die spezifische Wärmekapazität von Granit beträgt 790 J/kgK, von Blei 128 J/kgK, von Glas 840 J/kgK, von Kupfer 386 J/kgK und von Wasser 4.186 J/kgK. Beachten Sie, um wie viel die spezifische Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu den anderen Substanzen in der Liste ist. Es stellt sich heraus, dass Wasser eine der höchsten spezifischen Wärmekapazitäten aller Stoffe hat.
Stoffe mit größeren spezifischen Wärmekapazitäten können wesentlich stabilere Temperaturen aufweisen. Das heißt, ihre Temperaturen schwanken nicht so stark, wenn Sie Wärmeenergie hinzufügen oder entfernen. (Denken Sie an die Becheranalogie am Anfang dieses Artikels zurück. Wenn Sie dem breiten und dem schmalen Becher die gleiche Flüssigkeitsmenge hinzufügen und subtrahieren, ändert sich der Füllstand im breiten Becher viel weniger.)
Aus diesem Grund haben Küstenstädte ein viel gemäßigteres Klima als Städte im Landesinneren. Die Nähe zu einem so großen Gewässer stabilisiert ihre Temperaturen.
Die große spezifische Wärmekapazität des Wassers ist auch der Grund, warum die Soße beim Herausnehmen einer Pizza aus dem Ofen auch nach dem Abkühlen der Kruste noch anbrennt. Die wasserhaltige Sauce muss viel mehr Wärmeenergie abgeben, bevor sie im Vergleich zur Kruste an Temperatur sinken kann.
Beispiel für spezifische Wärmekapazität
Angenommen, 1 kg Sand (cso = 840 J/kgK) zunächst bei 20 Grad Celsius, während einer Mischung aus 0,5 kg Sand und 0,5 kg Wasser zunächst ebenfalls bei 20 °C die gleiche Menge Wärmeenergie zugeführt wird. Wie verhält sich die Endtemperatur des Sandes zur Endtemperatur des Sand/Wasser-Gemischs?
Lösung:Löse zuerst die Wärmeformel nachTerhalten:
\Updelta T=\frac{Q}{mc}
Für den Sand ergibt sich dann folgende Temperaturänderung:
\Updelta T=\frac{10.000}{1\times 840}=11,9 \text{ Grad}
Das ergibt eine Endtemperatur von 31,9 °C.
Bei der Mischung aus Sand und Wasser ist es etwas komplizierter. Sie können die Wärmeenergie nicht einfach gleichmäßig auf Wasser und Sand verteilen. Sie werden miteinander vermischt, müssen also die gleiche Temperaturänderung erfahren.
Während Sie die gesamte Wärmeenergie kennen, wissen Sie zunächst nicht, wie viel jeder einzelne bekommt. LassenQsosei die Energiemenge aus Wärme, die der Sand erhält undQwsei die Energiemenge, die das Wasser bekommt. Nutze jetzt die Tatsache, dassQ = Qso + Qwum folgendes zu bekommen:
Q=Q_s+Q_w=m_sc_s\Delta T+m_wc_w\Delta T=(m_sc_s+m_wc_w)\Delta T
Jetzt ist es einfach zu lösen fürT:
\Updelta T = \frac{Q}{m_sc_s+m_wc_w}
Das Einfügen von Zahlen ergibt dann:
\Updelta T = \frac{10.000}{0.5\times 840+0.5\times 4.186} = 4\text{Grad}
Die Mischung steigt nur um 4 C an, bei einer Endtemperatur von 24 C deutlich niedriger als der reine Sand!