Kui vaatate, et külmunud tiigi pind sulab ebatüüpiliselt soojal talve pärastlõunal aeglaselt, ja jälgite sama, lähedal asuva hea suurusega külmutatud lompi pinnal, võite täheldada, et jääd muutuvad veeks umbes samal määr.
Aga mis siis, kui kogu tiigi avatud pinnale langev päikesevalgus, võib-olla aakri suurune, oleks korraga suunatud lompi pinnale?
Teie sisetunne ütleb teile ilmselt, et lompi pind ei sulaks mitte ainult väga kiiresti vette, vaid ka kogu lomp võib isegi muutuda peaaegu koheselt veeauruks, möödudes vedelast faasist vesiseks gaas. Kuid miks peaks see füüsikateaduse seisukohalt olema?
Sama intuitsioon ütleb teile tõenäoliselt, et soojuse, massi ja jää, vee või mõlema temperatuuri muutuse vahel on seos.
Nagu juhtub, on see nii ja idee laieneb ka teistele ainetele, millest kõigil on erinev "vastupidavus" kuumusele, mis avaldub erinevates temperatuuri muutustes vastuseks antud kogusele, kui neid lisada kuumus. Need ideed pakuvad üheskoos mõisteid erisoojus ja soojusmahtuvus.
Mis on soojus füüsikas?
Kuumus on üks näiliselt loendamatu hulga vorme, mida füüsikas tuntakse energiana. Energial on jõuühikud korda vahemaa ehk njuutonmeetrit, kuid seda nimetatakse tavaliselt džauliks (J). Mõnes rakenduses on standardühikuks kalorite arv 4,18 J; veel teistes valitseb päeva btu ehk Briti temaatiline üksus.
Kuumus kipub "liikuma" soojematest jahedamatesse piirkondadesse, see tähendab piirkondadesse, kuhu on praegu vähem soojust. Kuigi soojust ei saa hoida ega näha, saab selle suuruse muutusi mõõta temperatuuri muutuste kaudu.
Temperatuur on molekulide kogumi keskmise kineetilise energia mõõtmine, näiteks veeklaas või gaasimahuti. Soojuse lisamine tõstab seda molekulaarset kineetilist energiat ja seega temperatuuri, vähendades samal ajal temperatuuri.
Mis on kalorimeetria?
Miks on džaul võrdne 4,18 kaloriga? Kuna kalor (cal) ei ole küll SI soojuseühik, on see tuletatud meetrilistest ühikutest ja on omamoodi põhiline: soojushulk vajalik ühe grammi vee toatemperatuuril tõstmiseks 1 K või 1 ° C võrra. (1-kraadine muutus Kelvini skaalal on identne 1-kraadise muutusega Celsiuse skaalal; need kaks on aga nihutatud umbes 273 kraadi võrra, nii et 0 K = 273,15 ° C.)
- Toidumärgistel olev "kalor" on tegelikult kilokalor (kcal), mis tähendab, et 12-untsi purk suhkrut soodat sisaldab umbes 150 000 tõelist kalorit.
Sellise asja katsetamise teel vee või mõne muu aine abil kindlaksmääramine on selle etteantud massi asetamine anumasse, lisage etteantud kogus soojust, ilma et mõni aine või soojus saaks seadmest väljuda, ja mõõdetakse muutust temperatuur.
Kuna teate aine massi ja võite eeldada, et soojus ja temperatuur on kogu ulatuses ühtlased, siis saab lihtsa jagamise abil kindlaks teha, kui palju soojust muudaks ühiku kogust, näiteks 1 grammi, sama temperatuur.
Soojusvõimsuse võrrand on selgitatud
Soojusvõimsuse valem on erinevates vormides, kuid need kõik vastavad samale põhivõrrandile:
Q = mCΔT
See võrrand ütleb lihtsalt, et suletud süsteemi (vedeliku, gaasi või tahke aine) soojuse muutus Q materjal) võrdub proovi massiga m korrutatuna temperatuurimuutusega ΔT ja korrutades parameetrit C helistas erisoojusvõimsusvõi lihtsalt erisoojus. Mida suurem on C väärtus, seda rohkem suudab süsteem soojust neelata, säilitades samas temperatuuri tõusu.
Mis on konkreetne soojusvõimsus?
Soojusmaht on soojushulk, mis on vajalik objekti temperatuuri suurendamiseks teatud koguse (tavaliselt 1 K) võrra, seega on SI ühikud J / K. Objekt võib olla ühtlane või mitte. Kui oleksite, oleks võimalik ligikaudselt kindlaks määrata selliste ainete segu nagu muda soojusvõime teadis selle massi ja mõõtis temperatuuri muutust vastusena mõnede suletud seadmes kuumutamisele sorteerida.
Kasulikum kogus keemias, füüsikas ja tehnikas on erisoojusvõimsus C, mõõdetuna soojuse ühikutes massiühiku kohta. Spetsiifilised soojusvõimsuse ühikud on tavaliselt džaulid gramm-kelvini kohta ehk J / g⋅K, kuigi kilogramm (kg) on SI massiühik. Üks põhjus, miks erisoojus on kasulik, on see, et kui teil on teada ühtlase aine mass ja teate selle soojust võimsuse, saate hinnata selle sobivust "jahutusradiaatoriks", et vältida teatavates katsetes tuleohtu olukordades.
Vesi on tegelikult väga suure soojusvõimsusega. Arvestades, et inimkeha peab olema võimeline taluma märkimisväärse koguse soojuse liitmist või lahutamist tänu Maale erinevates tingimustes oleks see kõigi bioloogiliste üksuste, mis koosnevad peamiselt veest, põhinõue, nagu peaaegu kõik suured elamised asjad on.
Soojusmaht vs. Spetsiifiline kuumus
Kujutage ette spordistaadionit, kuhu mahub 100 000 inimest, ja üht teist linna, mis mahutab 50 000 inimest. Pilk on selge, et esimese staadioni absoluutne "istekohtade maht" on kaks korda suurem kui teisel. Kuid kujutage ette, et teine staadion on ehitatud nii, et see võtab ainult enda üles üks neljandik esimese mahust.
Kui teete algebra, leiate, et väiksem staadion mahutab tegelikult kaks korda rohkem inimesi ruumiühiku kohta suuremana, andes sellele kaks korda suurema "konkreetse istme" väärtuse.
Mõelge selles analoogias üksikutest vaatajatest kui identse suurusega soojuse ühikutest, mis voolavad staadionile ja sealt välja. Kui suurem staadion mahutab kokku kaks korda rohkem "soojust", siis väiksemal staadionil on tegelikult kaks korda suurem võimalus selle "soojuse" versiooni ruumiühiku kohta "salvestada".
Kui eeldatakse, et mõlema staadioni iga sama suur osa toodab sama palju mängujärgset prügikasti, olenemata sellest, kui palju inimesi see mahutab, on väiksem neist pesakonna vähendamisel kaks korda efektiivsem kohta individuaalne pealtvaatajad; mõelge sellele, et see on kaks korda vastupidavam temperatuuri tõusule lisatud soojuse ühiku kohta.
Sellest näete, et kui kahel sama erisoojusega objektil on erinev mass, on suurema objekti soojusvõimsus suurema koguse võrra, mis mõõtkavas on selle massiga. Erineva massiga ja erineva erisoojusega objektide võrdlemisel muutub olukord keerukamaks.
Spetsiifilise soojusvõimsuse arvutamise näide
Metallvase erisoojus on 0,386 J / g⋅K. Kui palju soojust on vaja 1 kg (1000 g või 2,2 naela) vase temperatuuri tõstmiseks 0 ° C kuni 100 ° C?
Q = (m) (C) (AT) = (1000 g) (0,386 J / gKK) (100 K) = 38 600 J = 38,6 kJ.
Mis on soojusmahtuvus sellest vasetükist? Kogu massi 100 K tõstmiseks vajate 38 600 J, nii et selle 1 K võrra üles nihutamiseks vajaksite 1/100. Seega on selles vases soojusvõimsus 386 J.