Εάν παρακολουθήσετε την επιφάνεια μιας παγωμένης λίμνης να λιώνει αργά σε ένα ασυνήθιστα ζεστό χειμωνιάτικο απόγευμα και να παρακολουθήσετε το ίδιο πράγμα επιφάνεια μιας κοντινής κατεψυγμένης λακκούβας σε καλό μέγεθος, μπορεί να παρατηρήσετε ότι ο πάγος σε κάθε φαίνεται να μετατρέπεται σε νερό περίπου στο ίδιο τιμή.
Τι γίνεται όμως αν όλο το φως του ήλιου που πέφτει στην εκτεθειμένη επιφάνεια της λίμνης, ίσως σε μέγεθος στρέμματος, επικεντρώθηκε ταυτόχρονα στην επιφάνεια της λακκούβας;
Η διαίσθησή σας μάλλον σας λέει ότι όχι μόνο η επιφάνεια της λακκούβας θα έλιωνε πολύ γρήγορα στο νερό, αλλά ολόκληρη η λακκούβα θα μπορούσε ακόμη και να γίνει υδρατμός σχεδόν αμέσως, παρακάμπτοντας την υγρή φάση για να γίνει μια υδαρή αέριο. Γιατί όμως, από φυσική επιστήμη, πρέπει να είναι αυτό;
Η ίδια διαίσθηση πιθανόν να σας λέει ότι υπάρχει σχέση μεταξύ θερμότητας, μάζας και αλλαγής της θερμοκρασίας του πάγου, του νερού ή και των δύο.
Όπως συμβαίνει, αυτό ισχύει και η ιδέα επεκτείνεται και σε άλλες ουσίες, καθεμία από τις οποίες έχει διαφορετική "αντιστάσεις" στη θερμότητα, όπως εκδηλώνεται σε διαφορετικές αλλαγές θερμοκρασίας σε απόκριση σε μια δεδομένη ποσότητα εάν προστεθεί θερμότητα. Αυτές οι ιδέες συνδυάζονται για να προσφέρουν τις έννοιες του
ειδική θερμότητα και θερμοχωρητικότητα.Τι είναι η θερμότητα στη φυσική;
Η θερμότητα είναι μια από τις φαινομενικά αμέτρητες μορφές της ποσότητας που είναι γνωστή ως ενέργεια στη φυσική. Η ενέργεια έχει μονάδες δύναμης φορές απόσταση, ή Newton-μέτρα, αλλά αυτό συνήθως ονομάζεται joule (J). Σε ορισμένες εφαρμογές, η θερμίδα, ίση με 4,18 J, είναι η τυπική μονάδα. σε ακόμη άλλους, το btu, ή η βρετανική θεματική ενότητα, κυβερνά την ημέρα.
Η θερμότητα τείνει να "μετακινείται" από θερμότερες σε ψυχρότερες περιοχές, δηλαδή, σε περιοχές στις οποίες υπάρχει σήμερα λιγότερη θερμότητα. Ενώ η θερμότητα δεν μπορεί να συγκρατηθεί ή να δει, οι αλλαγές στο μέγεθος της μπορούν να μετρηθούν μέσω αλλαγών στη θερμοκρασία.
Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ενός συνόλου μορίων, όπως ένα ποτήρι νερού ή ένα δοχείο αερίου. Η προσθήκη θερμότητας αυξάνει αυτή τη μοριακή κινητική ενέργεια, και ως εκ τούτου τη θερμοκρασία, ενώ τη μειώνει, μειώνει τη θερμοκρασία.
Τι είναι η θερμιδομετρία;
Γιατί είναι ένα joule ίσο με 4,18 θερμίδες; Επειδή η θερμίδα (θερμίδα), ενώ δεν είναι η μονάδα θερμότητας SI, προέρχεται από μετρικές μονάδες και είναι θεμελιώδης κατά κάποιον τρόπο: η ποσότητα θερμότητας χρειάζεται να αυξηθεί ένα γραμμάριο νερού σε θερμοκρασία δωματίου κατά 1 K ή 1 ° C. (Μια αλλαγή 1 βαθμού στην κλίμακα Kelvin είναι ίδια με μια αλλαγή 1 βαθμού στην κλίμακα Κελσίου. Ωστόσο, τα δύο αντισταθμίζονται κατά περίπου 273 μοίρες, έτσι ώστε 0 K = 273,15 ° C.)
- Η «θερμίδα» στις ετικέτες των τροφίμων είναι στην πραγματικότητα μια κιλοκαλori (kcal) που σημαίνει ότι ένα κουτί 12-ουγγιών ζάχαρης σόδας περιέχει περίπου 150.000 αληθινές θερμίδες.
Ο τρόπος με τον οποίο μπορεί κανείς να προσδιορίσει κάτι τέτοιο μέσω πειραματισμού, χρησιμοποιώντας νερό ή κάποια άλλη ουσία, είναι να τοποθετήσει μια δεδομένη μάζα σε δοχείο, προσθέστε μια δεδομένη ποσότητα θερμότητας χωρίς να αφήσετε καμία από τις ουσίες ή τη θερμότητα να διαφύγει από το συγκρότημα και μετρήστε την αλλαγή θερμοκρασία.
Δεδομένου ότι γνωρίζετε τη μάζα της ουσίας και μπορείτε να υποθέσετε ότι η θερμότητα και η θερμοκρασία είναι ομοιόμορφες σε ολόκληρο, εσείς μπορεί να καθορίσει με απλή διαίρεση πόση θερμότητα θα άλλαζε μια μονάδα μονάδα, όπως 1 γραμμάριο, από το ίδιο θερμοκρασία.
Εξηγήθηκε η εξίσωση θερμικής ικανότητας
Ο τύπος θερμικής χωρητικότητας διατίθεται σε διάφορες μορφές, αλλά όλες ισοδυναμούν με την ίδια βασική εξίσωση:
Q = mCΔΤ
Αυτή η εξίσωση δηλώνει απλώς ότι η αλλαγή στη θερμότητα Q ενός κλειστού συστήματος (ένα υγρό, αέριο ή στερεό υλικό) είναι ίση με τη μάζα m του δείγματος επί τη μεταβολή της θερμοκρασίας ΔT επί την παράμετρο C που ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα, ή απλά ειδική θερμότητα. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή C, τόσο περισσότερη θερμότητα μπορεί να απορροφήσει ένα σύστημα διατηρώντας ταυτόχρονα την ίδια αύξηση θερμοκρασίας.
Τι είναι η ειδική θερμική ικανότητα;
Η θερμική ικανότητα είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας ενός αντικειμένου κατά μια ορισμένη ποσότητα (συνήθως 1 K), έτσι οι μονάδες SI είναι J / K. Το αντικείμενο μπορεί να είναι ομοιόμορφο ή να μην είναι. Θα ήταν δυνατό να προσδιοριστεί κατά προσέγγιση η θερμική ικανότητα ενός μίγματος ουσιών όπως η λάσπη εάν εσείς γνώριζε τη μάζα του και μέτρησε την αλλαγή της θερμοκρασίας του σε απόκριση της θέρμανσης σε μια σφραγισμένη συσκευή ορισμένων είδος.
Μια πιο χρήσιμη ποσότητα στη χημεία, τη φυσική και τη μηχανική είναι ειδική θερμική ικανότητα C, μετρούμενη σε μονάδες θερμότητας ανά μονάδα μάζας. Οι ειδικές μονάδες θερμικής ικανότητας είναι συνήθως joules ανά γραμμάριο-kelvin ή J / g⋅K, παρόλο που το χιλιόγραμμο (kg) είναι η μονάδα μάζας SI. Ένας λόγος για τον οποίο η συγκεκριμένη θερμότητα είναι χρήσιμη είναι ότι εάν έχετε μια γνωστή μάζα μιας ομοιόμορφης ουσίας και γνωρίζετε τη θερμότητα της χωρητικότητα, μπορείτε να κρίνετε την καταλληλότητά του να χρησιμεύσει ως «ψύκτρα» για να αποφύγετε κινδύνους πυρκαγιάς σε ορισμένα πειραματικά καταστάσεις.
Το νερό έχει πραγματικά πολύ υψηλή θερμική ικανότητα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το ανθρώπινο σώμα πρέπει να είναι σε θέση να ανεχθεί την προσθήκη ή αφαίρεση σημαντικών ποσοτήτων θερμότητας χάρη στη Γη ποικίλες συνθήκες, αυτό θα ήταν μια βασική απαίτηση κάθε βιολογικής οντότητας που παράγεται κυρίως από νερό, όπως σχεδόν όλη η μεγάλη διαβίωση τα πράγματα είναι.
Θερμική ικανότητα εναντίον Ειδική θερμότητα
Φανταστείτε ένα αθλητικό γήπεδο που μπορεί να φιλοξενήσει 100.000 άτομα, και ένα άλλο σε όλη την πόλη που μπορεί να φιλοξενήσει 50.000 άτομα. Με μια ματιά, είναι σαφές ότι η απόλυτη "χωρητικότητα θέσεων" του πρώτου σταδίου είναι διπλάσια από αυτήν του δεύτερου. Αλλά φανταστείτε επίσης ότι το δεύτερο στάδιο είναι κατασκευασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να καταλαμβάνει μόνο ένα τέταρτο του όγκου του πρώτου.
Εάν κάνετε την άλγεβρα, θα διαπιστώσετε ότι το μικρότερο γήπεδο μπορεί να φιλοξενήσει διπλάσιο αριθμό ατόμων ανά μονάδα χώρου ως το μεγαλύτερο, δίνοντάς το διπλάσιο από την τιμή "ειδικής θέσης".
Σε αυτήν την αναλογία, σκεφτείτε μεμονωμένους θεατές ως μονάδες θερμότητας ίδιου μεγέθους, που ρέουν μέσα και έξω από το στάδιο. Ενώ το μεγαλύτερο γήπεδο μπορεί να συγκρατήσει διπλάσια "θερμότητα" συνολικά, το μικρότερο γήπεδο έχει στην πραγματικότητα διπλάσια ικανότητα να "αποθηκεύσει" αυτήν την έκδοση "θερμότητας" ανά μονάδα χώρου.
Εάν κάθε τμήμα του ίδιου μεγέθους και των δύο σταδίων θεωρείται ότι παράγει την ίδια ποσότητα σκουπιδιών μετά το παιχνίδι όταν είναι γεμάτο, ανεξάρτητα από το πόσα άτομα κρατάει, τότε το μικρότερο θα είναι διπλάσιο αποτελεσματικό στη μείωση των απορριμμάτων του άτομο θεατές? Σκεφτείτε το ότι είναι δύο φορές πιο ανθεκτικό στις αυξήσεις θερμοκρασίας ανά μονάδα προστιθέμενης θερμότητας.
Από αυτό, μπορείτε να δείτε ότι εάν δύο αντικείμενα με την ίδια συγκεκριμένη θερμότητα έχουν διαφορετικές μάζες, το μεγαλύτερο θα έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα θερμότητας κατά μια ποσότητα που κλιμακώνεται με το πόσο πιο μαζική είναι. Κατά τη σύγκριση αντικειμένων διαφορετικών μαζών και διαφορετικών ειδών θερμότητας, η κατάσταση γίνεται πιο περίπλοκη.
Ειδικό παράδειγμα υπολογισμού της θερμικής ικανότητας
Ο μεταλλικός χαλκός έχει ειδική θερμότητα 0,386 J / g⋅K. Πόση θερμότητα απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 kg (1.000 g ή 2.2 £) χαλκού από 0 ° C σε 100 ° C;
Q = (m) (C) (ΔΤ) = (1.000 g) (0.386 J / g⋅K) (100 K) = 38.600 J = 38.6 kJ.
Τι είναι το θερμοχωρητικότητα αυτού του κομματιού χαλκού; Χρειάζεστε 38.600 J για να αυξήσετε ολόκληρη τη μάζα κατά 100 K, οπότε θα χρειαστείτε το 1/100 από αυτό για να το ωθήσετε κατά 1 K. Έτσι, η θερμική ικανότητα χαλκού σε αυτό το μέγεθος είναι 386 J.