Wenn Sie an einem atypisch warmen Winternachmittag beobachten, wie die Oberfläche eines zugefrorenen Teichs langsam schmilzt, und sehen Sie, dass dasselbe auf dem Oberfläche einer nahegelegenen, ziemlich großen gefrorenen Pfütze können Sie beobachten, dass sich das Eis in jeder ungefähr zur gleichen Zeit in Wasser verwandelt Bewertung.
Aber was wäre, wenn das gesamte Sonnenlicht, das auf die freiliegende Oberfläche des Teiches fällt, vielleicht ein Hektar groß, gleichzeitig auf die Oberfläche der Pfütze gerichtet wäre?
Ihre Intuition sagt Ihnen wahrscheinlich, dass die Oberfläche der Pfütze nicht nur sehr schnell zu Wasser schmelzen würde, sondern auch die gesamte Pfütze könnte sogar fast augenblicklich zu Wasserdampf werden, wobei die flüssige Phase umgangen wird und eine wässrige wird Gas. Aber warum sollte dies aus physikalisch-wissenschaftlicher Sicht so sein?
Dieselbe Intuition sagt Ihnen wahrscheinlich, dass es eine Beziehung zwischen Wärme, Masse und der Temperaturänderung von Eis, Wasser oder beidem gibt.
Dies ist übrigens der Fall, und die Idee erstreckt sich auch auf andere Substanzen, von denen jede andere "Widerstände" gegen Hitze, die sich in unterschiedlichen Temperaturänderungen als Reaktion auf eine bestimmte Menge bei Zugabe manifestieren Hitze. Diese Ideen verbinden sich zu den Konzepten von spezifische Wärme und Wärmekapazität.
Was ist Wärme in der Physik?
Wärme ist eine der scheinbar unzähligen Formen der in der Physik als Energie bekannten Größe. Energie hat die Einheiten Kraft mal Entfernung oder Newtonmeter, aber dies wird normalerweise als Joule (J) bezeichnet. Bei einigen Anwendungen ist die Kalorienmenge von 4,18 J die Standardeinheit; in wieder anderen regiert die BTU, die britische thematische Einheit, den Tag.
Wärme tendiert dazu, von wärmeren in kühlere Bereiche zu "wandern", dh in Regionen, in die derzeit weniger Wärme fließt. Während Wärme nicht gehalten oder gesehen werden kann, können Änderungen ihrer Größe über Temperaturänderungen gemessen werden.
Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie einer Reihe von Molekülen, wie einem Becher mit Wasser oder einem Gasbehälter. Das Hinzufügen von Wärme erhöht diese molekulare kinetische Energie und damit die Temperatur, während eine Verringerung die Temperatur senkt.
Was ist Kalorimetrie?
Warum entspricht ein Joule 4,18 Kalorien? Denn die Kalorie (cal) ist zwar nicht die SI-Einheit der Wärme, wird aber aus metrischen Einheiten abgeleitet und ist in gewisser Weise grundlegend: Es ist die Wärmemenge benötigt, um ein Gramm Wasser bei Raumtemperatur um 1 K oder 1 °C zu erhöhen. (Eine 1-Grad-Änderung auf der Kelvin-Skala ist identisch mit einer 1-Grad-Änderung auf der Celsius-Skala; die beiden sind jedoch um etwa 273 Grad versetzt, sodass 0 K = 273,15 °C ist.)
- Die "Kalorie" auf Lebensmitteletiketten ist eigentlich eine Kilokalorie (kcal), was bedeutet, dass eine 12-Unzen-Dose zuckerhaltiges Soda etwa 150.000 echte Kalorien enthält.
So etwas kann man durch Experimentieren mit Wasser oder einer anderen Substanz bestimmen, indem man eine bestimmte Masse davon in ein Behälter, fügen Sie eine bestimmte Menge Wärme hinzu, ohne dass Substanz oder Wärme aus der Baugruppe entweichen kann, und messen Sie die Änderung in Temperatur.
Da Sie die Masse des Stoffes kennen und davon ausgehen können, dass Wärme und Temperatur überall gleich sind, können Sie kann durch einfache Division bestimmen, wie viel Wärme eine Einheitsmenge, wie 1 Gramm, um dieselbe ändern würde Temperatur.
Die Wärmekapazitätsgleichung erklärt
Die Wärmekapazitätsformel gibt es in verschiedenen Formen, aber alle ergeben dieselbe Grundgleichung:
Q = mCΔT
Diese Gleichung besagt einfach, dass die Wärmeänderung Q eines geschlossenen Systems (eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Feststoff Material) ist gleich der Masse m der Probe mal der Temperaturänderung ΔT mal einem Parameter C namens spezifische Wärmekapazität, oder nur spezifische Wärme. Je höher der C-Wert, desto mehr Wärme kann ein System bei gleichbleibender Temperaturerhöhung aufnehmen.
Was ist die spezifische Wärmekapazität?
Die Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur eines Objekts um einen bestimmten Betrag (normalerweise 1 K) zu erhöhen, daher sind die SI-Einheiten J/K. Das Objekt kann einheitlich sein oder auch nicht. Die Wärmekapazität eines Stoffgemisches wie Schlamm lässt sich grob bestimmen, wenn man kannte seine Masse und maß seine Temperaturänderung als Reaktion auf das Erhitzen in einem versiegelten Gerät von einigen Sortieren.
Eine nützlichere Größe in Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften ist spezifische Wärmekapazität C, gemessen in Wärmeeinheiten pro Masseneinheit. Spezifische Wärmekapazitätseinheiten sind normalerweise Joule pro Gramm-Kelvin oder J/g⋅K, obwohl Kilogramm (kg) die SI-Einheit der Masse ist. Ein Grund, warum spezifische Wärme nützlich ist, besteht darin, dass Sie eine bekannte Masse einer einheitlichen Substanz haben und ihre Wärme kennen Kapazität, können Sie seine Eignung beurteilen, als "Wärmesenke" zu dienen, um Brandrisiken in bestimmten experimentellen Fällen zu vermeiden Situationen.
Wasser hat tatsächlich eine sehr hohe Wärmekapazität. Bedenkt man, dass der menschliche Körper die Zufuhr oder Abnahme erheblicher Wärmemengen dank der Erdwärme vertragen muss unterschiedlichen Bedingungen, dies wäre eine Grundvoraussetzung für jede biologische Einheit, die hauptsächlich aus Wasser besteht, da fast alle größeren Lebewesen Dinge sind.
Wärmekapazität vs. Spezifische Wärme
Stellen Sie sich ein Sportstadion mit 100.000 Sitzplätzen vor und ein anderes in der Stadt mit 50.000 Sitzplätzen. Auf den ersten Blick ist klar, dass die absolute „Sitzkapazität“ des ersten Stadions doppelt so hoch ist wie die des zweiten. Aber stellen Sie sich auch vor, dass das zweite Stadion so konstruiert ist, dass es nur Platz nimmt ein Viertel des Volumens des ersten.
Wenn Sie die Algebra machen, stellen Sie fest, dass das kleinere Stadion tatsächlich doppelt so viele Menschen Platz bietet pro Raumeinheit als der größere, was ihm den doppelten Wert "spezifischer Sitz" verleiht.
Stellen Sie sich in dieser Analogie einzelne Zuschauer als gleich große Wärmeeinheiten vor, die in das Stadion ein- und ausströmen. Während das größere Stadion insgesamt doppelt so viel "Wärme" aufnehmen kann, hat das kleinere Stadion tatsächlich die doppelte Kapazität, diese Version von "Wärme" pro Raumeinheit zu "speichern".
Wenn davon ausgegangen wird, dass jeder gleich große Abschnitt beider Stadien die gleiche Menge Müll nach dem Spiel produziert, wenn er voll ist, Unabhängig davon, wie viele Personen er fasst, reduziert der kleinere den Abfall doppelt so effektiv von Individuell Zuschauer; Stellen Sie sich dies als doppelt so widerstandsfähig gegenüber Temperaturerhöhungen pro zugeführter Wärmeeinheit vor.
Daraus können Sie sehen, dass, wenn zwei Objekte mit derselben spezifischen Wärme unterschiedliche Massen haben, das größere eine größere Wärmekapazität hat, um einen Betrag, der mit seiner Masse skaliert. Beim Vergleich von Objekten unterschiedlicher Masse und unterschiedlicher spezifischer Wärme wird die Situation komplexer.
Beispiel für die Berechnung der spezifischen Wärmekapazität
Das Metall Kupfer hat eine spezifische Wärme von 0,386 J/g·K. Wie viel Wärme wird benötigt, um die Temperatur von 1 kg (1000 g oder 2,2 Pfund) Kupfer von 0 °C auf 100 °C zu erhöhen?
Q = (m)(C)(ΔT) = (1.000 g)(0,386 J/g⋅K)(100 K) = 38.600 J = 38,6 kJ.
Was ist der Wärmekapazität von diesem Stück Kupfer? Sie benötigen 38.600 J, um die gesamte Masse um 100 K anzuheben, also benötigen Sie 1/100 davon, um sie um 1 K nach oben zu schubsen. Somit beträgt die Wärmekapazität von Kupfer in dieser Größe 386 J.