Kuidas arvutada kalorimeetri abil saadud soojust

Mingil eluperioodil olete ilmselt mõelnud, mis a kalorsusega on pärast konkreetse toidu toitumisalase teabe märgistuse vaatamist. Mis on kalor, välja arvatud see, mida paljud inimesed soovivad selliste siltide skannimisel seostada väiksemate numbritega?

Ja kuidas lisavad "kalorid" elussüsteemidele massi, kui see tegelikult juhtub? Ja kuidas võite olla kindel, et antud elemendi jaoks loetletud kalorite arv - olgu see väärtus rahustav või masendav - on täpselt kindlaks määratud?

Kuumus on üks paljudest ümbritseva maailma omadustest, mida saate tõenäoliselt hästi kirjeldada mõne enda valitud hästi valitud sõnaga, kuid sellel on füüsikateadustes fokuseeritum tähendus. Kalor on soojuse näitaja, nagu ka džaul (J) ja Briti termiline ühik (btu). Soojusvahetuse uurimine on füüsikateaduse haru, mida nimetatakse kalorimeetria, mis omakorda tugineb seadmetele, mida nimetatakse kalorimeetrid.

Intuitiivselt võib teile tunduda kummaline, et jahutatud või külmutatud toidud, nagu jäätis ja juustukook, pakivad palju väidetavalt kuumust väikesesse portsjonisse. Samuti, kui kalorid lähevad kuidagi kuumuseks, ei peaks toitu, mis seda rohkem annab, tegelikult kaalu tekitama

Need on head küsimused ja pärast ülejäänud artikli "põletamist" on teil need vastused ja palju muud, mida oma järgmisse kalorimeetrialaborisse või spordi- ja toitumisalase arutelu juurde viia.

Kuumusest võib peamiselt mõelda soojusenergia. Nagu teistel energialiikidel, on ka sellel energiaühikuid džaulid (või samaväärne mitte-SI ühikutes). Kuumus on raskesti mõõdetav suurus, kuna seda on raske otseselt mõõta. Selle asemel saab kontrollida temperatuuri muutusi kontrollitud katsetingimustes, kas süsteem on soojust kogunud või kaotanud.

Asjaolu, et kuumust käsitletakse energiana, tähendab, et selle jälgimine on matemaatiliselt sirgjooneline harjutus kui katsetega on mõnikord keeruline kindlaks teha tingimusi, milles soojusenergia ei pääse, ja väldib mõõtmist. Kuid selliste põhireaalsuste tõttu nagu energia säästmise seadus, kuumuse tabel on põhimõtteliselt üsna lihtne.

Materjalidel on erinev temperatuuri vastupidavus, kui selle aine fikseeritud kogusele lisatakse etteantud kogus soojust. See tähendab, et kui võtsite 1 kilogrammi ainet A ja 1 kilogrammi ainet B ja lisasite mõlemale sama koguse soojust, ilma süsteemi, võib A temperatuur tõusta vaid viiendiku võrra sama palju kui aine B temperatuur.

See tähendaks, et ainel A on erisoojus viis korda suurem kui aine A kontseptsioon, mida tuleb allpool üksikasjalikult uurida.

Toitumismärgistel loetletud "kalor" on tegelikult kilokalor ehk kcal. Nii et tegelikult sisaldab tüüpiline suhkrustatud sooda purk umbes 120 000 kalorit, mis väljendub kokkuleppeliselt kui igapäevase suhtlemise kalorikogus.

• Kalorid on ladinakeelne sõna, mis on piisavalt sobiv, soojus.

Kalorite arv on umbes 4,184 J, mis tähendab, et toidumärgistel kalorina käsitletav kcal on võrdne 4 184 J või 4,184 kJ. Energiatarbimise määra (džauli sekundis) füüsikateaduses nimetatakse võimsuseks ja SI ühikuks on vatt (W), mis võrdub 1 J / s. Üks kcal on seega piisav energiahulk 0,35–0,4 kW (350 J / s) umbes 12 sekundi jooksul sumiseva süsteemi sisselülitamiseks:

P = E / t, seega t = E / P = 4,186 kJ / (0,35 kJ / s) = 12,0.

• Väljaõppinud vastupidavussportlane, näiteks jalgrattur või jooksja, suudab sellist väljundvõimsust säilitada pikema aja jooksul. Teoreetiliselt võiks siis 100- "kaloriline" (100-kcal) energiajook hoida maanteesõitjat või maratonijooksjat umbes 100 korda 12 sekundit ehk 20 minutit. Kuna inimese süsteem ei ole mehaaniliselt ligilähedaseltki sajaprotsendiline, vajab see tegelikult nii kaua, et see toimiks peaaegu kogu aeroobse võimsusega, üle 300 kcal.
  

The kalorsusega on määratletud kui soojushulk, mis on vajalik 1 grammi vee temperatuuri tõstmiseks 1 Celsiuse kraadi võrra. Selle üheks probleemiks on see, et vee temperatuur c varieerub temperatuuride vahemikus, kus H on, väike variatsioon₂O on vedelik. "Spetsiifiline" "erisoojuses" viitab mitte ainult konkreetsetele materjalidele, vaid ka konkreetsele temperatuurile.

• Enamiku materjalide erisoojused on antud 20 juures

  ° C või 25 ° C.

Tehniliselt tähendavad terminid "soojusvõimsus" ja "erisoojusvõimsus" erinevaid asju, ehkki võite näha, et neid kasutatakse vähem rangetes allikates vaheldumisi.

Algselt loodud soojusvõimsus viitab lihtsalt kogu objekti (mis võib olla valmistatud mitmest materjalist) teatud koguse soojendamiseks vajalikule soojushulgale. Spetsiifiline soojusvõimsus viitab 1 grammi temperatuuri tõstmiseks vajalikule soojushulgale konkreetsest materjalist 1 kraadi Celsiuse või Kelvini võrra (° C või K).

• Kuigi Celsiuse ja Kelvini temperatuuriskaalad ei ole ühesugused, erinevad nad fikseeritud summa võrra, kuna ° C + 273 = K, kus K ei saa olla negatiivne. See tähendab, et antud arvuline temperatuuri muutus ühes skaalas tekitab teises samasuguse muutuse suuruse, erinevalt Fahrenheiti-Celsiuse interkonversioonidest.

Selle asemel, et lühendada "erisoojusvõimsus" "soojusvõimsuseks", kasutage seda mõistet erisoojus, nagu on tavaks mainekates allikates.

A eesmärk kalorimeeter on mõnes protsessis, näiteks eksotermilises keemilises reaktsioonis eralduva soojuse püüdmine, mis muidu kaoks keskkonnale. Kui süsteemi temperatuuri muutus ning kalorimeetri komplekti mass ja erisoojus on teada, saab protsessi abil süsteemi sisestatud soojushulga kindlaks määrata. Näited on toodud järgmises osas.

Kalorimeetri saab ehitada mitmest erinevast materjalist, tingimusel, et need oleksid isoleerivad (st ei lubaks soojusülekannet; seda terminit kasutatakse elektromagnetismis ka vastupanuks elektrilaengu ülekandele).

Ühe tavalise versiooni saab teha vahtpolüstüroolist tassist ja hästi istuvast kaanest. Selles kohvitassi kalorimeetris kasutatakse lahustina tavaliselt vett ning termomeeter ja (vajadusel) segamispulk paigaldatakse tihedalt tassi kaane väikeste aukude kaudu.

Suletud süsteemi soojuse muutuse (kalorimeetri korral on määratluse järgi positiivne) annab - süsteemi massi, kalorimeetri soojusvõimsuse ja temperatuuri muutuse korrutis süsteem:

Kus:

• Q = arenenud soojus (võrdne neeldunud soojusega - eralduv soojus) džaulides (J)
• m = mass kilogrammides (kg)
• c = erisoojusvõimsus J / kg⋅ ° C (või J / kg⋅K)
• ∆T = temperatuuri muutus ° C (või K)

Soojus, mis vabaneb mis tahes eksotermilisest (soojust vabastavast) keemilisest reaktsioonist, mis toimub kalorimeetris, hajuks tavaliselt keskkonda. See on kadu, mis on arvestatud termodünaamilise koguse muutusena entalpia mis kirjeldab nii süsteemi sisemist energiat kui ka süsteemi rõhu ja mahu suhte muutusi. See kuumus jääb selle asemel kinni lahusti ja topsi kaane vahele.
Varem tutvustati energia säästmise ideed. Kuna kalorimeetrisse sisenev soojus peab olema võrdne reaktoritest koosneva kalorimeetri süsteemi poolt eraldatava soojusega toodete enda jaoks on selle süsteemi soojuse muutuse märk negatiivne ja sama suur kui kalorimeeter.

Eespool ja sellega seotud väidetes eeldatakse, et kalorimeetrist ei pääse ainult soojust või tühine kogus soojust. Kui soojustust pole, liigub soojus soojematest jahedamatesse aladesse, nii et ilma korraliku isolatsioonita jääb soojus - kalorimeetri komplekt ümbritseva keskkonna jaoks, välja arvatud juhul, kui keskkonnatemperatuur on soojem kui kalorimeeter.

Järgmine tabel sisaldab mõnede tavaliselt esinevate elementide ja ühendite erisoojust J / kg⋅ ° C.

• H₂O, jää: 2,108
• H₂O, vesi: 4,184
• H₂O, veeaur: 2,062
• Metanool: 2,531
• Etanool: 2.438
• Benseen: 1.745
• Süsinik, grafiit: 0,709
• Süsinik, teemant: 0,509
• Alumiinium: 0,897
• Raud: 0,449
• Vask: 0,385
• Kuld: 0,129

• Elavhõbe: 0,140

• Lauasool (NaCl): 0,864

• Kvarts: 0,742
• Kaltsiit: 0,915

Pange tähele, et vee soojusvõimsus on ebatavaliselt suur. Võib-olla on vastumeelne, et gramm vett soojeneb vähem kui kümnendiku võrra sama palju kui gramm vett, lisades sama koguse lisatud soojust, kuid see on planeedi ümbruse eluks oluline.

Vesi moodustab umbes kolm neljandikku teie kehast, mis võimaldab teil taluda suuri keskkonnatemperatuuri kõikumisi. Laiemas plaanis toimivad ookeanid soojushoidlatena, mis aitavad temperatuure stabiliseerida kogu maailmas.

Nüüd olete valmis kalorimeetritega arvutamiseks.
Näide 1: Kõigepealt võtke lihtne juhtum, kui gramm naatriumhüdroksiidi (NaOH) lahustati 50 ml vees temperatuuril 25 ° C. Võtke vee soojusvõimsus sellel temperatuuril 4,184 J / kg⋅ ° C ja arvestage, et 50 ml vee mass on 50 grammi ehk 0,05 kg. Kui lahuse temperatuur tõuseb 30,32 ° C-ni, kui palju soojust saab kalorimeeter?

Teil on Q = mc∆T = (0,05 kg) (4,184 kJ / kg⋅ ° C) (30,32–5,32 ° C)

= 1,113 kJ või 1113 J.

Näide 2: Nüüd kaaluge koduse päikeseenergia salvestusseadme juhtumit, mis on aja jooksul üha populaarsemaks muutuv seade. Oletame, et see seade kasutab soojusenergia salvestamiseks 400 L vett.
Selgel suvepäeval on vee algtemperatuur 23,0 ° C. Päeva jooksul tõuseb vee temperatuur seadme "veeseina" kaudu ringi liikudes 39,0 ° C-ni. Kui palju energiat on vette salvestatud?

Oletame jällegi, et vee mass on 400 kg, see tähendab, et vee tiheduseks võib selles temperatuurivahemikus lugeda täpselt 1,0 (see on lihtsustus).

Huvi võrrand on seekord järgmine:

Q = mc∆T = (400 kg) (4,184 kJ / kg⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)

= 26,778 J = 26,78 kJ.

See on piisavalt energiat 1,5 kW võimsusega kütteseadme toitmiseks umbes 17 sekundiks:

(26,78 kJ) (kW / (kJ / s) / (1,5 kW) = 17,85 s

Suure tõenäosusega on majaomanikel planeeritud teistsugune kasutus, kui nad elavad päikesemajas.

Võite kasutada veebikalkulaatoreid, mis võimaldavad teil hõlpsasti teisendada konkreetse soojuse ühikute vahel, sealhulgas ebatavalised, kuid mitte täielikult välja surnud üksused, näiteks Btu / lb_m^oF.