Mis on soojusvõimsus?

Soojusmahtuvus on füüsikas kasutatav termin, mis kirjeldab, kui palju ainele tuleb temperatuuri tõsta 1 Celsiuse kraadi võrra lisada. See on seotud, kuid erineb erisoojus, mis on soojushulk, mis on vajalik aine täpselt 1 grammi (või mõne muu fikseeritud massiühiku) tõstmiseks 1 Celsiuse kraadi võrra. Aine soojusvõime C tuletamine selle erisoojusest S tuleb korrutada kogusega sisalduva aine sisaldus ja veenduge, et kasutaksite kogu ainega samu massiühikuid probleem. Soojusmaht on selgelt väljendatud objekti võime vastu pidada soojusenergia lisamise teel soojenemisele vastu.

Aine võib eksisteerida tahke aine, vedeliku või gaasina. Gaaside korral võib soojusvõimsus sõltuda nii ümbritsevast rõhust kui ka ümbritsevast temperatuurist. Teadlased soovivad sageli teada püsiva rõhu all oleva gaasi soojusvõimsust, samal ajal kui muudel muutujatel, näiteks temperatuuril, on lubatud muutused; seda tuntakse kui C-d_lk. Samamoodi võib olla kasulik kindlaks määrata gaasi soojusvõimsus püsiva mahu või C juures_v. C suhe_lk C-ni_v pakub olulist teavet gaasi termodünaamiliste omaduste kohta.

Enne soojusvõimsuse ja erisoojuse arutelu alustamist on kasulik kõigepealt mõista soojusülekande põhitõdesid füüsikas ja soojuse mõistes üldiselt ning tutvuge mõne distsipliini põhivõrrandiga.

Termodünaamika on füüsika haru, mis tegeleb süsteemi töö ja energiaga. Töö, energia ja soojus on kõigil füüsikas ühesugused ühikud, vaatamata sellele, et neil on erinev tähendus ja rakendus. SI (rahvusvaheline standard) soojuse ühik on džaul. Töö on määratletud kui jõud, mis on korrutatud kaugusega, nii et iga selle suuruse SI-ühikut silmas pidades on džaul sama, mis njuutonmeetrit. Muud ühikud, millega tõenäoliselt kuumuse korral kokku puutute, hõlmavad kaloreid (cal), Briti soojusühikuid (btu) ja erg. (Pange tähele, et toidu toitumisalastel siltidel olevad "kalorid" on tegelikult kilokalorid, "kilo-" on Kreeka prefiks, mis tähistab "tuhat"; seega, kui märkate, et näiteks 12-untsine soodapurk sisaldab 120 "kalorit", võrdub see ametlikult füüsiliselt 120 000 kaloriga.)

Gaasid käituvad erinevalt vedelatest ja tahketest ainetest. Seetõttu on aerodünaamika ja sellega seotud erialade füüsikud, kes on loomulikult väga huvitatud õhu ja muude gaaside käitumisest oma töös kiirmootorite ja lendavate masinatega on neil eriline mure selles sisalduva ainega seotud soojusvõimsuse ja muude mõõdetavate füüsikaliste parameetrite pärast riik. Üks näide on entalpia, mis näitab suletud süsteemi sisemist soojust. See on süsteemi energia summa pluss selle rõhu ja mahu korrutis:

H = E + PV

Täpsemalt on entalpia muutus seotud gaasi mahu muutumisega seose järgi:

∆H = E + P∆V

Kreeka sümbol ∆ ehk delta tähendab füüsikas ja matemaatikas kokkuleppeliselt "muutust" või "erinevust". Lisaks saate kontrollida, kas rõhu ja mahu maht annab tööühikuid; rõhku mõõdetakse njuutonites / m², samal ajal kui mahtu võib väljendada meetrites³.

Samuti on gaasi rõhk ja maht seotud võrrandiga:

P∆V = R∆T

kus T on temperatuur ja R on konstant, millel on iga gaasi jaoks erinev väärtus.

Teil pole vaja neid võrrandeid mällu siduda, kuid neid käsitletakse hiljem arutluses C-ga_lk ja C_v.

Nagu märgitud, on soojusvõimsus ja erisoojus seotud suurused. Esimene tuleneb tegelikult teisest. Spetsiifiline kuumus on olekumuutuja, see tähendab, et see on seotud ainult aine olemuslike omadustega, mitte sellega, kui palju seda on. Seetõttu väljendatakse seda kuumusena massiühiku kohta. Soojusvõimsus seevastu sõltub sellest, kui palju kõnealusest ainest soojusülekanne toimub, ja see ei ole olekumuutuja.

Kõigil ainetel on sellega seotud temperatuur. See ei pruugi olla esimene asi, mis objekti meenutades pähe tuleb ("Huvitav, kui soe see raamat on?"), Kuid teekonnal võib teil olla sai teada, et teadlastel pole kunagi ühelgi tingimusel õnnestunud saavutada absoluutse nulli temperatuuri, ehkki nad on tulnud piinavalt Sulge. (Põhjus, miks inimesed sellise asja ette võtavad, on seotud äärmiselt külmade materjalide ülijuhtivusega; mõelge vaid füüsilise elektrijuhi väärtusele, millel pole praktiliselt mingit takistust.) Temperatuur on molekulide liikumise mõõt. Tahketes materjalides on aine paigutatud võre või võrku ja molekulid ei saa vabalt liikuda. Vedelikus on molekulidel vabadus liikuda, kuid need on siiski suurel määral piiratud. Gaasis võivad molekulid liikuda väga vabalt. Igal juhul pidage lihtsalt meeles, et madal temperatuur tähendab molekulaarset liikumist vähe.

Kui soovite objekti, sealhulgas ennast, teisaldada ühest füüsilisest asukohast teise, peate selleks kulutama energiat - või teise võimalusena tegema tööd. Peate püsti tõusma ja üle toa kõndima või peate vajutama auto gaasipedaali, et suruda läbi mootori kütust ja sundida autot liikuma. Samamoodi on mikrotasandil vajalik energia sisestamine süsteemi, et panna selle molekulid liikuma. Kui see energia sisend on molekulaarse liikumise suurenemise põhjustamiseks piisav, tähendab see ülaltoodud arutelu põhjal tingimata ka aine temperatuuri tõusu.

Erinevatel tavalistel ainetel on erisoojuse väärtus väga erinev. Näiteks metallide hulgas kontrollib kuld 0.129 J / g ° C, mis tähendab, et 1 gramm kulla temperatuuri tõstmiseks 1 Celsiuse kraadi võrra piisab 0,129 džaulist soojust. Pidage meeles, et see väärtus ei muutu olemasoleva kulla koguse põhjal, sest mass on juba arvestatud konkreetsete soojusühikute nimetajaga. Nii ei ole soojusvõimsuse puhul, nagu varsti avastate.

Paljusid sissejuhatava füüsika üliõpilasi üllatab, et vee erisoojus 4,179 on tavaliste metallide omast tunduvalt kõrgem. (Selles artiklis on kõik erisoojuse väärtused esitatud J / g ° C-s.) Samuti on jää soojusmahtuvus 2,03 väiksem kui pool vee omast, kuigi mõlemad koosnevad H₂O. See näitab, et ühendi olek ja mitte ainult selle molekulaarne koostis, mõjutab selle erisoojuse väärtust.

Igal juhul öelge, et teil palutakse määrata, kui palju soojust on vaja 150 g raua (mille erisoojus või S on 0,450) temperatuuri tõstmiseks 5 C võrra. Kuidas sa sellega läheksid?

Arvutamine on väga lihtne; korruta erisoojus S materjali hulga ja temperatuuri muutusega. Kuna S = 0,450 J / g ° C, on J-sse lisatav soojushulk (0,450) (g) (∆T) = (0,450) (150) (5) = 337,5 J. Teine võimalus selle väljendamiseks on öelda, et 150 g raua soojusvõimsus on 67,5 J, mis pole midagi muud kui erisoojus S korrutatud olemasoleva aine massiga. On selge, et kuigi vedeliku soojusvõimsus on antud temperatuuril konstantne, kuluks selle saavutamiseks tunduvalt rohkem soojust soojendage ühte suurtest järvedest isegi kümnendiku võrra, kui oleks vaja veepitsi soojendamiseks 1 kraadi võrra või 10 või isegi 50.

Eelmises osas tutvustati teile ideed gaaside tinglikust soojusvõimsusest - see tähendab soojusmahtuvuse väärtustest, mis kohaldatakse antud aine suhtes tingimustes, kus kogu temperatuuri (T) või rõhku (P) hoitakse konstantsena probleem. Teile anti ka põhivõrrandid ∆H = E + P∆V ja P∆V = R∆T.

Kahest viimasest võrrandist näete, et teine ​​viis entalpia muutuse väljendamiseks ,H on:

E + R∆T

Kuigi siin pole tuletatud, on üks viis termodünaamika esimese seaduse väljendamiseks, mis kehtib suletud süsteemides ja mida olete kuulnud kõnekeeles öeldes: "Energiat ei looda ega hävitata" on:

∆E = C_v∆T

Selges keeles tähendab see seda, et kui gaasi sisaldavale süsteemile lisatakse teatav kogus energiat ja selle gaasi maht ei tohi muutuda (seda näitab V alapunkt C_v), peab selle temperatuur tõusma otseselt proportsionaalselt selle gaasi soojusvõimsuse väärtusega.

Nende muutujate vahel on veel üks seos, mis võimaldab tuletada soojusvõimsust konstantsel rõhul C_p, pigem püsiva helitugevusega. See suhe on veel üks viis entalpia kirjeldamiseks:

= H = C_lk∆T

Kui olete algebras osav, võite jõuda kriitilise seoseni C-i vahel_v ja C_lk:

C_lk = C_v + R

See tähendab, et püsiva rõhu all oleva gaasi soojusvõimsus on konstantsel ruumalal mõne püsiva R võrra suurem, mis on seotud uuritava gaasi eripära. See on intuitiivne; kui kujutate ette, et gaasil lastakse vastusena suurenevale siserõhule laieneda, võite seda tõenäoliselt tajuda et see peab vastusena antud energia lisamisele vähem soojenema kui sellega piirdudes ruumi.

Lõpuks võite kogu selle teabe abil määratleda veel ühe ainespetsiifilise muutuja γ, mis on C suhe_lk C-ni_vvõi C_lk/ C_v. Eelmisest võrrandist näete, et see suhe suureneb suurema R väärtusega gaaside korral.

C_lk ja C_v õhud on vedeliku dünaamika uurimisel mõlemad olulised, kuna õhk (koosneb peamiselt lämmastiku ja hapniku segust) on kõige tavalisem gaas, mida inimesed kogevad. Mõlemad C_lk ja C_v on temperatuurist sõltuvad ja mitte täpselt samal määral; nagu juhtub, C_v tõuseb temperatuuri tõustes veidi kiiremini. See tähendab, et "konstant" y ei ole tegelikult konstantne, kuid on tõenäoliste temperatuuride vahemikus üllatavalt lähedal. Näiteks 300 Kelvini või K juures (võrdne 27 C) on y väärtus 1,400; temperatuuril 400 K, mis on 127 C ja oluliselt üle vee keemistemperatuuri, on y väärtus 1,395.