Kako izračunati toplinski kapacitet

Ako promatrate kako se površina smrznutog ribnjaka polako topi u netipično toplo zimsko popodne i gledate kako se ista stvar događa na površine obližnje smrznute lokve velike veličine, mogli biste primijetiti kako se led u svakoj pretvara u vodu otprilike isto stopa.

Ali što ako je sva sunčeva svjetlost koja je padala na otvorenu površinu ribnjaka, možda veličine hektara, istovremeno bila usmjerena na površinu lokve?

Vaša vam intuicija vjerojatno govori da bi se ne samo površina lokve vrlo brzo istopila u vodi, već cijela lokva može gotovo trenutno postati vodena para, zaobilazeći tekuću fazu i postajući vodenasta plin. Ali zašto bi, sa stajališta fizičke znanosti, to trebalo biti?

Ista vam intuicija vjerojatno govori da postoji veza između topline, mase i promjene temperature leda, vode ili oboje.

To se slučajno događa, a ideja se širi i na druge tvari od kojih svaka ima različite "otpornosti" na toplinu, što se očituje u različitim temperaturnim promjenama kao odgovor na zadanu količinu ako se doda toplina. Ove se ideje kombiniraju i nude koncepte

Toplina je jedan od naizgled bezbrojnih oblika veličine koja je u fizici poznata kao energija. Energija ima jedinice snage puta udaljenost ili newton-metre, ali to se obično naziva džul (J). U nekim je primjenama kalorija, jednaka 4,18 J, standardna jedinica; u još drugima, btu, ili britanska tematska jedinica, vlada danom.

Toplina se ima tendenciju "premještati" iz toplijih u hladnija područja, odnosno u područja u koja trenutno ima manje topline. Iako se toplina ne može zadržati ili vidjeti, promjene u njezinoj veličini mogu se mjeriti promjenama temperature.

Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije skupa molekula, poput čaše s vodom ili posude s plinom. Dodavanjem topline povećava se ta molekularna kinetička energija, a time i temperatura, dok se smanjenjem smanjuje temperatura.

Zašto je džul jednak 4,18 kalorija? Budući da kalorija (kal), iako nije SI jedinica topline, dobiva se iz metričkih jedinica i na neki je način ključna: količina topline potrebno za podizanje jednog grama vode na sobnoj temperaturi za 1 K ili 1 ° C. (Promjena od 1 stupanj na Kelvinovoj ljestvici identična je promjeni od 1 stupanj na Celzijevoj skali; međutim, njih su dvije pomaknute za oko 273 stupnja, tako da je 0 K = 273,15 ° C.)

• "Kalorija" na naljepnicama namirnica zapravo je kilokalorija (kcal) što znači da limenka slatke sode od 12 unci sadrži oko 150 000 istinskih kalorija.

Način na koji se tako nešto može utvrditi eksperimentiranjem, koristeći vodu ili neku drugu tvar, jest da se određena masa stavi u spremnika, dodajte zadanu količinu topline ne dopuštajući da bilo koja tvar ili toplina izlazi iz sklopa i izmjerite promjenu u temperatura.

Budući da znate masu tvari i možete pretpostaviti da su toplina i temperatura ujednačeni, vi jednostavnom podjelom može odrediti koliko bi topline za istu promijenilo jedinicu količine, poput 1 grama temperatura.

Formula toplinskog kapaciteta dolazi u raznim oblicima, ali svi iznose istu osnovnu jednadžbu:

Q = mCΔT

Ova jednadžba jednostavno navodi da je promjena topline Q zatvorenog sustava (tekućina, plin ili krutina materijal) jednak je masi m uzorka pomnoženoj s promjenom temperature ΔT pomnoženom s parametrom C pozvao specifični toplinski kapacitet, ili samo određena toplina. Što je vrijednost C veća, sustav više toplote može apsorbirati zadržavajući isti porast temperature.

Kapacitet topline je količina topline potrebna za povećanje temperature predmeta za određenu količinu (obično 1 K), pa su SI jedinice J / K. Predmet je možda ujednačen, a možda nije. Bilo bi moguće približno odrediti toplinski kapacitet smjese tvari kao što je blato znao njegovu masu i izmjerio promjenu temperature kao odgovor na zagrijavanje u nekome zapečaćenom uređaju vrsta.

Korisnija količina u kemiji, fizici i inženjerstvu je specifični toplinski kapacitet C, mjereno u jedinicama topline po jedinici mase. Specifične jedinice toplinskog kapaciteta obično su džuli po gramu kelvina ili J / g⋅K, iako je kilogram (kg) SI jedinica mase. Jedan od razloga zašto je specifična toplina korisna jest taj što ako imate poznatu masu jednolike tvari i znate njezinu toplinu kapaciteta, možete procijeniti njegovu sposobnost da služi kao "hladnjak" kako bi se izbjegli rizici od požara u određenim eksperimentalnim uvjetima situacijama.

Voda zapravo ima vrlo visoki toplinski kapacitet. Uzimajući u obzir da ljudsko tijelo mora tolerirati dodavanje ili oduzimanje značajnih količina topline zahvaljujući Zemljinoj u različitim uvjetima, ovo bi bio osnovni zahtjev bilo kojeg biološkog entiteta koji je većinom sačinjen od vode, jer gotovo svi živu stvari jesu.

Zamislite sportski stadion koji prima 100.000 ljudi, i drugi preko grada koji ima 50.000 ljudi. Na prvi pogled jasno je da je apsolutni "kapacitet sjedala" prvog stadiona dvostruko veći od drugog. Ali također zamislite da je drugi stadion izgrađen na takav način da zauzima samo jedna četvrtina volumena prvog.

Ako napravite algebru, ustanovit ćete da manji stadion zapravo prima dvostruko više ljudi po jedinici prostora kao veći, dajući mu dvostruku vrijednost "određenog mjesta".

U ovoj analogiji, zamislite pojedinačne gledatelje kao jedinice topline identične veličine, koje ulaze u i izlaze iz stadiona. Iako veći stadion može ukupno primiti dvostruko više "topline", manji stadion zapravo ima dvostruko veći kapacitet za "pohranu" ove verzije "topline" po jedinici prostora.

Ako se pretpostavlja da svaki odjeljak oba stadiona iste veličine proizvodi istu količinu smeća nakon utakmice kad je napunjen, bez obzira na to koliko ljudi drži, tada će manji biti dvostruko učinkovitiji u smanjenju legla od pojedinac gledatelji; mislite da je ovo dvostruko otpornije na povišenje temperature po jedinici dodane topline.

Iz ovoga možete vidjeti da ako dva predmeta s istom specifičnom toplinom imaju različite mase, veći će imati veći toplinski kapacitet za iznos koji se skalira s koliko je masivniji. Kada se uspoređuju objekti različitih masa i različitih specifičnih toplina, situacija postaje složenija.

Metalni bakar ima specifičnu toplinu od 0,386 J / g⋅K. Koliko je topline potrebno za povišenje temperature 1 kg bakra s 0 ° C na 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1.000 g) (0.386 J / g⋅K) (100 K) = 38.600 J = 38.6 kJ.

Što je toplinski kapacitet ovog dijela bakra? Trebate 38.600 J da biste podigli cijelu masu za 100 K, pa bi vam trebala 1/100 od ovog da biste je pogurali za 1 K. Tako je toplinski kapacitet bakra u ovoj veličini 386 J.