Kuinka laskea lämpökapasiteetti

Jos katsot jäätyneen lammen pinnan sulavan hitaasti epätyypillisesti lämpimällä talvi-iltapäivällä ja katsot saman tapahtumista lähellä olevan hyvän kokoisen jäätyneen lätäkerroksen pinnan, saatat huomata, että jokaisen jää näyttää muuttuneen vedeksi suunnilleen samalla korko.

Mutta entä jos kaikki lampun paljaalle pinnalle putoava auringonvalo, kenties eekkerin kokoinen, kohdistuisi samanaikaisesti lammikon pintaan?

Intuitiosi kertoo luultavasti, että lammikon pinta ei vain sulaisi veteen hyvin nopeasti, vaan koko lätäkkö saattaa jopa muuttua vesihöyryksi melkein välittömästi, ohittaen nestefaasin vetiseksi kaasu. Mutta miksi fysiikan näkökulmasta sen pitäisi olla?

Sama intuitio kertoo todennäköisesti sinulle, että lämmön, massan ja jään, veden tai molempien lämpötilan muutoksen välillä on yhteys.

Kuten tapahtuu, näin on, ja ajatus ulottuu myös muihin aineisiin, joista jokaisella on erilainen "lämmönvastukset", jotka ilmenevät erilaisissa lämpötilan muutoksissa vastauksena tiettyyn määrään, jos niitä lisätään lämpöä. Nämä ideat tarjoavat yhdessä käsitteitä

Lämpö on yksi näennäisesti lukemattomista muodoista, jonka fysiikassa kutsutaan energiaksi. Energialla on voimayksiköt kertaa etäisyys tai newtonmetriä, mutta tätä kutsutaan yleensä jouleksi (J). Joissakin sovelluksissa kalori, joka on 4,18 J, on vakioyksikkö; vielä muissa, BTU eli brittiläinen temaattinen yksikkö hallitsee päivää.

Lämmöllä on taipumus "siirtyä" lämpimämmiltä viileämmille alueille, toisin sanoen alueille, joille lämpöä on tällä hetkellä vähemmän. Vaikka lämpöä ei voida pitää tai nähdä, sen suuruuden muutokset voidaan mitata lämpötilan muutoksilla.

Lämpötila on molekyyliryhmän, kuten dekantterilasin tai kaasusäiliön, keskimääräisen kineettisen energian mitta. Lämmön lisääminen nostaa tätä molekulaarista kineettistä energiaa ja siten lämpötilaa, samalla kun sen alentaminen alentaa lämpötilaa.

Miksi joule on 4,18 kaloria? Koska kalori (cal) ei ole lämmön SI-yksikkö, se saadaan metriyksiköistä ja on tavallaan perustavanlaatuinen: lämmön määrä tarvitaan nostamaan yksi gramma vettä huoneenlämmössä 1 K tai 1 ° C. (1 asteen muutos Kelvin-asteikolla on identtinen 1 asteen muutoksen Celsius-asteikolla; nämä kaksi ovat kuitenkin siirtyneet noin 273 astetta siten, että 0 K = 273,15 ° C.)

• Elintarvikemerkintöjen "kalori" on itse asiassa kilokalori (kcal), mikä tarkoittaa, että 12 unssin tölkki sokeripitoista soodaa sisältää noin 150000 todellista kaloria.

Tapa, jolla tällainen asia voidaan määrittää kokeilemalla vedellä tai muulla aineella, on asettaa tietty massa siihen lisätään tietty määrä lämpöä päästämättä ainetta tai lämpöä poistumaan kokoonpanosta, ja mitataan muutos lämpötila.

Koska tiedät aineen massan ja voit olettaa, että lämpö ja lämpötila ovat tasaiset koko ajan, sinä pystyy määrittämään yksinkertaisella jaolla kuinka paljon lämpöä muuttaisi yksikkömäärän, kuten 1 gramman, samalla lämpötila.

Lämpökapasiteettikaava on eri muodoissa, mutta ne kaikki vastaavat samaa perusyhtälöä:

Q = mCΔT

Tämä yhtälö kertoo yksinkertaisesti, että suljetun järjestelmän (nesteen, kaasun tai kiinteän aineen) lämmön muutos Q materiaali) on yhtä suuri kuin näytteen massa m kertaa lämpötilan muutos ΔT kertaa parametri C olla nimeltään ominaislämpökapasiteetti, tai vain ominaislämpö. Mitä korkeampi C-arvo, sitä enemmän lämpöä järjestelmä voi absorboida pitäen samalla lämpötilan nousun.

Lämpökapasiteetti on lämmön määrä, joka tarvitaan kohteen lämpötilan nostamiseen tietyllä määrällä (yleensä 1 K), joten SI-yksiköt ovat J / K. Kohde voi olla yhtenäinen tai ei. Olisi mahdollista määrittää karkeasti sellaisten aineiden seoksen lämpökapasiteetti kuin mutaa, jos haluat tiesi sen massan ja mitasi sen lämpötilan muutoksen vastauksena joidenkin suljetussa laitteessa tapahtuvaan lämmitykseen järjestellä.

Hyödyllisempi määrä kemiassa, fysiikassa ja tekniikassa on ominaislämpökapasiteetti C, mitattuna lämpöyksikköinä massayksikköä kohti. Spesifiset lämpökapasiteettiyksiköt ovat yleensä joulea grammaa kelviiniä kohden tai J / g⋅K, vaikka kilogramma (kg) on ​​SI-massayksikkö. Yksi syy ominaislämmön hyödyllisyyteen on se, että jos sinulla on tunnettu massa yhtenäistä ainetta ja tiedät sen lämmön kapasiteetin, voit arvioida sen soveltuvuuden toimia "jäähdytyselementtinä" tulipaloriskien välttämiseksi tietyissä kokeellisissa tilanteissa.

Vedellä on todella suuri lämpökapasiteetti. Ottaen huomioon, että ihmiskehon on kyettävä sietämään merkittävien lämpömäärien lisääminen tai vähentäminen maapallon ansiosta vaihtelevissa olosuhteissa tämä olisi perusvaatimus kaikille biologisille yksiköille, jotka on valmistettu pääosin vedestä, kuten melkein kaikki huomattavan suuret elävät asiat ovat.

Kuvittele urheilustadion, johon mahtuu 100 000 ihmistä, ja toinen ympäri kaupunkia, johon mahtuu 50 000 ihmistä. Yhdellä silmäyksellä on selvää, että ensimmäisen stadionin absoluuttinen "istumapaikkamäärä" on kaksi kertaa toisen stadionin istumapaikkakapasiteetti. Mutta kuvittele myös, että toinen stadion on rakennettu siten, että se vie vain yksi neljäsosa ensimmäisen äänenvoimakkuudesta.

Jos teet algebran, huomaat, että pienempi stadion mahtuu itse asiassa kaksi kertaa niin monta ihmistä tilaa kohti suurempana, mikä antaa sille kaksinkertaisen "tietyn istuimen" arvon.

Ajattele tässä analogiassa yksittäisiä katsojia saman suuruuslämpöyksikköinä, jotka virtaavat stadionille ja sieltä pois. Vaikka isompi stadion mahtuu kahdesti niin paljon "lämpöä", pienemmällä stadionilla on todellakin kaksinkertainen kapasiteetti "tallentaa" tätä "lämmön" versiota tilaa kohti.

Jos molempien stadionien jokaisen saman kokoisen osan oletetaan tuottavan saman määrän pelin jälkeistä roskaa, kun se on täynnä, riippumatta siitä, kuinka monta ihmistä siinä on, pienempi on kaksinkertainen tehokkaampi vähentämään roskia / yksilö katsojat; ajattele tämän olevan kaksi kertaa joustavampi lämpötilan nousulle lisättyä lämpöyksikköä kohden.

Tästä näet, että jos kahdella esineellä, joilla on sama ominaislämpö, ​​on erilainen massa, suuremmalla on suurempi lämpökapasiteetti määrällä, joka skaalautuu sen kanssa, kuinka paljon massiivisempi se on. Verrattaessa eri massojen ja erilaisten kohteiden esineitä tilanne muuttuu monimutkaisemmaksi.

Metallikuparin ominaislämpö on 0,386 J / g⋅K. Kuinka paljon lämpöä tarvitaan nostamaan 1 kg: n (1000 g tai 2,2 paunaa) kuparin lämpötila 0 ° C: sta 100 ° C: seen?
Q = (m) (C) (AT) = (1000 g) (0,386 J / gKK) (100 K) = 38600 J = 38,6 kJ.

Mikä on lämpökapasiteetti tästä kuparipalasta? Tarvitset 38600 J koko massan nostamiseksi 100 K: lla, joten tarvitset 1/100 tästä, jotta se nostetaan 1 K: lla. Näin ollen kuparin lämpökapasiteetti tässä koossa on 386 J.