Pretpostavimo da ste u dvije različite čaše natočili fiksnu količinu vode. Jedna je menza visoka i uska, a druga menza visoka i široka. Ako je količina vode koja se ulijeva u svaku čašu jednaka, očekivali biste da je razina vode viša u uskoj menzi.
Širina ovih kašika analogna je konceptu specifičnog toplinskog kapaciteta. U ovoj analogiji, voda koja se ulijeva u kante može se smatrati toplinskom energijom koja se dodaje dvama različitim materijalima. Porast razine na kantama analogan je rezultirajućem porastu temperature.
Što je specifični toplinski kapacitet?
Specifični toplinski kapacitet materijala je količina toplinske energije potrebna za podizanje jedinične mase tog materijala za 1 Kelvina (ili Celzijev stupanj). SI jedinice specifičnog toplinskog kapaciteta su J / kgK (džula po kilogramu × Kelvina).
Specifična toplina varira ovisno o fizičkim svojstvima materijala. Kao takva, to je vrijednost koju obično tražite u tablici. VrućinaPdodan materijalu masemsa specifičnim toplinskim kapacitetomcrezultira promjenom temperatureΔTodređuje se sljedećim odnosom:
Q = mc \ Delta T
Specifična toplina vode
Specifični toplinski kapacitet granita je 790 J / kgK, olova 128 J / kgK, stakla 840 J / kgK, bakra 386 J / kgK i vode 4.186 J / kgK. Obratite pažnju na to koliko se veći specifični toplinski kapacitet vode uspoređuje s ostalim tvarima s popisa. Ispada da voda ima jedan od najvećih specifičnih toplinskih kapaciteta bilo koje tvari.
Tvari s većim specifičnim toplinskim kapacitetima mogu imati puno stabilnije temperature. Odnosno, njihove temperature neće toliko varirati kad dodate ili uklonite toplinsku energiju. (Sjetite se analogije menzure na početku ovog članka. Ako dodate i oduzmete istu količinu tekućine u široku i usku čašu, razina se u širokoj menzi mijenja puno manje.)
Zbog toga obalni gradovi imaju puno umjereniju klimu nego gradovi u unutrašnjosti. Blizina tako velike vodene površine stabilizira njihovu temperaturu.
Veliki specifični toplinski kapacitet vode je i razlog zašto će vas, kada izvadite pizzu iz pećnice, umak i dalje peći čak i nakon što se kora ohladi. Umak koji sadrži vodu mora odavati puno više toplinske energije prije nego što padne temperatura u odnosu na koru.
Primjer specifičnog toplinskog kapaciteta
Pretpostavimo da se 10 kg toplinske energije doda na 1 kg pijeska (cs = 840 J / kgK) u početku pri 20 Celzijevih stupnjeva, dok se ista količina toplinske energije dodaje smjesi od 0,5 kg pijeska i 0,5 kg vode, također u početku pri 20 C. Kako se konačna temperatura pijeska uspoređuje s konačnom temperaturom smjese pijesak / voda?
Riješenje:Prvo riješite formulu topline zaΔTdobiti:
\ Delta T = \ frac {Q} {mc}
Za pijesak tada dobivate sljedeću promjenu temperature:
\ Delta T = \ frac {10 000} {1 \ puta 840} = 11,9 \ text {stupnjeva}
Što daje konačnu temperaturu od 31,9 C.
Za smjesu pijeska i vode malo je složenije. Ne možete samo podijeliti toplinsku energiju ravnopravno između vode i pijeska. Pomiješani su zajedno, pa moraju proći jednaku promjenu temperature.
Iako znate ukupnu toplinsku energiju, ne znate koliko svaki od njih dobije u početku. NekaPsbiti količina energije iz topline koju pijesak dobiva iPwbiti količina energije koju voda dobiva. Sada se poslužite činjenicom daQ = Ps + Qwdobiti sljedeće:
Q = Q_s + Q_w = m_sc_s \ Delta T + m_wc_w \ Delta T = (m_sc_s + m_wc_w) \ Delta T
Sada je to jednostavno riješitiΔT:
\ Delta T = \ frac {Q} {m_sc_s + m_wc_w}
Priključivanje brojeva tada daje:
\ Delta T = \ frac {10 000} {0,5 \ puta 840 + 0,5 \ puta 4.186} = 4 \ text {stupnjeva}
Smjesa raste samo za 4 C, za konačnu temperaturu od 24 C, znatno nižu od čistog pijeska!