Kuinka lasketaan kalorimetrin saama lämpö

Jossain vaiheessa elämässäsi olet todennäköisesti miettinyt mitä kalori on tarkasteltuaan tietyn ruoan ravintotietomerkkiä. Mikä on kalori, lukuun ottamatta jotain, josta monet ihmiset haluavat nähdä pienempiä lukuja skannattaessa tällaisia ​​tarroja?

Ja miten "kalorit" lisäävät massaa eläviin järjestelmiin, jos näin tapahtuu? Ja kuinka voit olla varma, että tietylle tuotteelle - olipa tämä arvo rauhoittava tai masentava - lueteltujen kaloreiden määrä on määritetty tarkasti?

Lämpö on yksi monista ympäröivän maailman ominaisuuksista, jota voit todennäköisesti kuvata hyvin muutamalla omalla hyvin valitsemallasi sanalla, mutta sillä on tarkempi merkitys fysiikassa. Kalori on lämpömittari, kuten joule (J) ja Ison-Britannian lämpöyksikkö (btu). Lämmönvaihdon tutkimus on fysiikan ala, joka tunnetaan nimellä kalorimetria, joka puolestaan ​​perustuu laitteisiin, joita kutsutaan kalorimetrit.

Intuitiivisesti saatat löytää oudolta, että jäähdytetyt tai pakastetut elintarvikkeet, kuten jäätelö ja juustokakku, voivat pakata paljon oletettavasti lämpöä pieneen annokseen. Lisäksi, jos kalorit jotenkin kääntyvät lämpöksi, eikö elintarvikkeiden, jotka toimittavat sitä enemmän, pitäisi johtaa painoon

Nämä ovat hyviä kysymyksiä, ja kun olet "palanut" koko tämän artikkelin läpi, sinulla on nämä vastaukset ja paljon muuta vietäväksi seuraavaan kalorimetrilaboratorioon tai urheilu-ravitsemuskeskusteluun.

Lämpöä voidaan ajatella lähinnä lämpöenergia. Muiden energiamuotojen tapaan sillä on yksikköä joulea (tai vastaava muu kuin SI-yksikkö). Lämpö on vaikeasti mitattava määrä, koska sitä on vaikea mitata suoraan. Sen sijaan lämpötilan muutoksia kontrolloiduissa koeolosuhteissa voidaan käyttää määrittämään, onko järjestelmä saanut tai menettänyt lämpöä.

Se, että lämpöä pidetään energiana, tarkoittaa, että sen seuraaminen on matemaattisesti suoraviivainen harjoitus jos kokeiden vuoksi on joskus vaikeaa luoda olosuhteita, joissa lämpöenergiaa ei pääse ulos ja vältetään mittauksesta. Mutta perustodellisuuksien, kuten energiansäästölaki, lämpötaulukko on periaatteessa melko yksinkertainen.

Materiaalien kestävyys vaihteleville lämpötiloille on erilainen, kun tietty määrä lämpöä lisätään kiinteään määrään kyseistä ainetta. Toisin sanoen, jos otit 1 kg ainetta A ja 1 kg ainetta B ja lisäsit saman määrän lämpöä kumpaankaan ilman, että lämpö saa poistua järjestelmään, A: n lämpötila saattaa nousta vain viidenneksellä yhtä paljon kuin aineen B lämpötila.

Tämä tarkoittaisi, että aineella A on ominaislämpö viisi kertaa aineen A käsite, jota on tutkittava yksityiskohtaisesti jäljempänä.

Ravintomerkinnöissä mainittu "kalori" on itse asiassa kilokalori eli kcal. Joten todellisuudessa tyypillisessä sokeroituneen soodan tölkissä on noin 120000 kaloria, jotka ilmaistaan ​​sopimuksella kalorina päivittäisessä viestinnässä.

• Kalori on latinankielinen sana lämpöä.

Kalori vastaa noin 4,184 J, mikä tarkoittaa, että elintarvikemerkinnöissä kalorina käsitelty kcal on yhtä suuri kuin 4 184 J tai 4,184 kJ. Energiakulutuksen määrää (joulea sekunnissa) fysiikassa kutsutaan tehoksi, ja SI-yksikkö on watti (W), joka on yhtä suuri kuin 1 J / s. Yksi kcal on siis riittävä määrä energiaa, jotta järjestelmä voimistaisi 0,35-0,4 kW (350 J / s) noin 12 sekunnin ajan:

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

• Koulutettu kestävyysurheilija, kuten pyöräilijä tai juoksija, pystyy ylläpitämään tällaista tehoa pitkään. Teoriassa 100- "kalorinen" (100 kcal) energiajuoma voisi pitää olympiamaastopyöräilijän tai maratonin juoksijan noin 100 kertaa 12 sekunnin tai 20 minuutin ajan. Koska ihmisen järjestelmä ei ole mekaanisesti lähes 100-prosenttisesti tehokas, se vaatii yli 300 kcal: n toimiakseen lähes täydellä aerobisella kapasiteetilla näin kauan.
  

kalori Määritellään lämpömääränä, joka tarvitaan 1 gramman veden lämpötilan nostamiseen 1 celsiusasteella. Yksi ongelma tässä on se, että veden c lämpötilassa on pieni vaihtelu lämpötilan alueella, jolla lämpötila on H₂O on neste. "Erityinen" "ominaislämmössä" viittaa paitsi tiettyihin materiaaleihin myös tiettyyn lämpötilaan.

• Useimpien materiaalien ominaislämmöt ovat 20

  ° C tai 25 ° C.

Teknisesti termit "lämpökapasiteetti" ja "ominaislämpökapasiteetti" tarkoittavat erilaisia ​​asioita, vaikka saatat nähdä, että niitä käytetään keskenään vähemmän tiukoissa lähteissä.

Alun perin keksitty lämpökapasiteetti viittaa yksinkertaisesti koko esineen (joka voi olla valmistettu useista materiaaleista) lämmittämiseen tarvittavaan lämmön määrään tietyllä määrällä. Ominaislämpökapasiteetti viittaa lämmön määrään, joka tarvitaan 1 gramman lämpötilan nostamiseen tietystä materiaalista 1 celsiusaste tai kelvin (° C tai K).

• Vaikka Celsius- ja Kelvin-asteikot eivät ole samat, ne eroavat toisistaan ​​kiinteällä määrällä, koska ° C + 273 = K, missä K ei voi olla negatiivinen. Tämä tarkoittaa, että tietty numeerinen lämpötilan muutos yhdessä asteikossa tuottaa saman muutoksen suuruuden toisessa, toisin kuin Fahrenheit-Celsius-muunnoksissa.

Sen sijaan, että lyhennettäisiin "ominaislämpökapasiteetti" termiin "lämpökapasiteetti", käytä sen sijaan termiä ominaislämpö, samoin kuin hyvämaineisissa lähteissä vallitseva käytäntö.

Tarkoitus a kalorimetri on kaapata jossakin prosessissa, kuten eksotermisessä kemiallisessa reaktiossa vapautuva lämpö, ​​joka muuten menetettäisiin ympäristölle. Kun järjestelmän lämpötilanmuutos ja kalorimetriyksikön massa ja ominaislämpö ovat tiedossa, prosessin avulla järjestelmään laitettavan lämmön määrä voidaan määrittää. Esimerkkejä annetaan seuraavassa osassa.

Kalorimetri voidaan rakentaa useista eri materiaaleista sillä ehdolla, että ne ovat eristäviä (ts. Eivät salli lämmönsiirtoa; termiä käytetään myös sähkömagneettisuudessa viittaamaan vastukseen sähkövarauksen siirtoa vastaan).

Yksi yleinen versio voidaan tehdä styroksikupista ja hyvin istuvasta kannesta. Tässä kahvikupin kalorimetrissä vettä käytetään yleensä liuottimena, ja lämpömittari ja (tarvittaessa) sekoitustikku asennetaan tiukasti kupin kannen pienten reikien läpi.

Suljetun järjestelmän lämmönmuutoksen (määritelmän mukaan positiivinen kalorimetrin tapauksessa) antaa - järjestelmän massan, kalorimetrin lämpökapasiteetin ja lämpötilan muutoksen tulo järjestelmä:

Missä:

• Q = kehittynyt lämpö (yhtä suuri kuin absorboitu lämpö - vapautunut lämpö) jouleina (J)
• m = massa kilogrammoina (kg)
• c = ominaislämpökapasiteetti, J / kg C ° C (tai J / kg⋅K)
• ∆T = lämpötilan muutos ° C (tai K)

Lämpö, ​​joka vapautuu kalorimeterissä tapahtuvasta eksotermisestä (lämpöä vapauttavasta) kemiallisesta reaktiosta, leviää tavallisesti ympäristöön. Tämä on menetys, joka on liitetty termodynaamisen määrän muutokseen entalpia joka kuvaa sekä järjestelmän sisäistä energiaa että muutoksia järjestelmän paine-tilavuus-suhteessa. Tämä lämpö on sen sijaan loukussa liuottimen ja kupin kannen välissä.
Aiemmin esiteltiin ajatus energiansäästöstä. Koska lämpömittariin menevän lämmön on oltava yhtä suuri kuin lämmön, jonka järjestelmä vapauttaa reaktoreista ja itse tuotteiden lämmönmuutoksen merkki tälle järjestelmälle on negatiivinen ja sen suuruus on sama kuin kalorimetri.

Edellä olevissa ja niihin liittyvissä lausunnoissa oletetaan, että kalorimetristä ei pääse vain lämpöä tai vähäinen määrä lämpöä. Lämpö siirtyy lämpimämmältä viileämmälle alueelle, kun eristystä ei ole, joten ilman asianmukaista eristystä lämpö jättää - kalorimetriyksikkö ympäristöä varten, ellei ympäristön lämpötila ole lämpimämpää kuin kalorimetri.

Seuraava taulukko sisältää joidenkin yleisesti havaittujen alkuaineiden ja yhdisteiden ominaislämmön (J / kg⋅ ° C).

• H₂O, jää: 2,108
• H₂O, vesi: 4,184
• H₂O, vesihöyry: 2,062
• Metanoli: 2,531
• Etanoli: 2.438
• Bentseeni: 1.745
• Hiili, grafiitti: 0,709
• Hiili, timantti: 0,509
• Alumiini: 0,897
• Rauta: 0,449
• Kupari: 0,385
• Kulta: 0,129

• Elohopea: 0,140

• Pöytäsuola (NaCl): 0,864

• Kvartsi: 0,742
• Kalsiitti: 0,915

Huomaa, että vedellä on epätavallisen suuri lämpökapasiteetti. Ehkä on vastakohtaista, että gramma vettä lämpenee alle kymmenesosalla yhtä paljon kuin gramma vettä, kun annetaan sama määrä lisälämpöä, mutta tämä on tärkeää planeetan ympäristölle.

Vesi on noin kolme neljäsosaa kehostasi, joten voit sietää suuria ympäristön lämpötilan vaihteluja. Laajemmin valtameret toimivat lämpösäiliöinä auttaakseen vakauttamaan lämpötiloja maailmanlaajuisesti.

Nyt olet valmis laskutoimituksiin, joihin sisältyy kalorimetrit.
Esimerkki 1: Ota ensin yksinkertainen tapaus, jossa gramma natriumhydroksidia (NaOH) liuotetaan 50 ml: aan vettä 25 ° C: ssa. Ota veden lämpökapasiteetti tässä lämpötilassa olevan 4,184 J / kg⋅ ° C ja 50 ml: n vesimassan katsotaan olevan 50 grammaa tai 0,05 kg. Jos liuoksen lämpötila nousee 30,32 ° C: seen, kuinka paljon lämpöä kalorimetri saavuttaa?

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

= 1,113 kJ tai 1113 J.

Esimerkki 2: Harkitse nyt kodin aurinkoenergian varastointilaitteen tapausta, joka on laitteen suosio ajan myötä. Oletetaan, että tämä laite käyttää 400 litraa vettä lämpöenergian varastointiin.
Selkeänä kesäpäivänä veden alkulämpötila on 23,0 ° C. Päivän aikana veden lämpötila nousee 39,0 ° C: seen, kun se kiertää yksikön "vesiseinän" läpi. Kuinka paljon energiaa on varastoitu veteen?

Oletetaan jälleen, että veden massa on 400 kg, ts. Että veden tiheyden voidaan pitää tarkalleen 1,0 tällä lämpötila-alueella (tämä on yksinkertaistaminen).

Kiinnostuksen yhtälö tällä kertaa on:

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

= 26,778 J = 26,78 kJ.

Tämä on tarpeeksi energiaa 1,5 kW: n tilalämmittimen käyttämiseen noin 17 sekunnin ajan:

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

Todennäköisesti asunnon omistajille on suunniteltu erilainen käyttö, jos he asuvat aurinkokodissa.

Voit käyttää online-laskimia, joiden avulla voit muuntaa helposti tietyn lämpöyksikön välillä, mukaan lukien epätavalliset mutta ei täysin sammuneet yksiköt, kuten Btu / lb_m^oF.