Hogyan számoljuk ki a kaloriméter által nyert hőmennyiséget?

Életed egy pontján valószínűleg elgondolkodtál azon, hogy mi a kalória miután megnézte az adott élelmiszer táplálkozási információs címkéjét. Mi az a kalória, ami sok embernek tetszik, ha alacsonyabb számokat társít az ilyen címkék beolvasásakor?

És hogyan adják a "kalóriák" az élő rendszerek tömegét, ha valójában ez történik? És hogyan lehet biztos abban, hogy az adott tételhez felsorolt ​​kalóriák számát - legyen ez az érték megnyugtató vagy lehangoló - pontosan meghatározták?

Hő a környező világ számos tulajdonságának egyike, amelyet valószínűleg jól leírhat néhány jól megválasztott szavával, de a fizikai tudományokban koncentráltabb jelentése van. A kalória hőmérő, csakúgy, mint a joule (J) és a brit hőegység (btu). A hőcsere vizsgálata a fizikai tudomány egyik ága, az úgynevezett kalorimetria, ami viszont az úgynevezett eszközökre támaszkodik kaloriméterek.

Intuitív módon furcsa lehet, hogy a hűtött vagy fagyasztott ételek, például a fagylalt és a sajttorta sok mindent állítólagosan melegből egy kis adagba csomagolhatnak. Továbbá, ha a kalóriák valahogy hővé válnak, akkor a többet tápláló ételek nem vezethetnek-e súlyhoz

Ezek jó kérdések, és miután "átégetted" a cikk többi részét, megkapod ezeket a válaszokat és még sok minden mást, amit a következő kalorimetriás laboratóriumba vagy a sport-táplálkozás megbeszélésébe be kell vinned.

A hő főleg úgy gondolható hőenergia. Az energia más formáihoz hasonlóan ennek is vannak egységei joule (vagy ennek megfelelő, nem SI egységekben). A hő megfoghatatlan mennyiség, mivel nehéz közvetlenül mérni. Ehelyett a hőmérséklet változása ellenőrzött kísérleti körülmények között felhasználható annak megállapítására, hogy a rendszer hőhő-e vagy sem.

Az a tény, hogy a hőt energiaként kezelik, azt jelenti, hogy annak nyomon követése matematikailag is egyszerű gyakorlat ha a kísérletek néha megnehezítik olyan körülmények megállapítását, amelyekben nincs hőenergia, és elkerüli a mérést. De olyan alapvető realitások miatt, mint a az energiatakarékosság törvénye, a hő táblázata elvileg meglehetősen egyszerű.

Az anyagok különböző mértékben ellenállnak a változó hőmérsékleteknek, ha adott mennyiségű hő hozzáadódik az adott anyag fix mennyiségéhez. Vagyis, ha 1 kg A anyagot és 1 kg B anyagot vett be, és mindegyikhez ugyanannyi hőt adott, és hő sem hagyhatta el rendszer, az A hőmérséklete csak egyötödével nőhet, mint a B anyag hőmérséklete.

Ez azt jelentené, hogy az A anyagnak van egy fajlagos hő ötszöröse az A anyag fogalmának, amelyet az alábbiakban részletesen meg kell vizsgálni.

A táplálkozási címkéken feltüntetett "kalória" valójában kilokalória vagy kcal. Tehát a valóságban egy tipikus cukros szódabikarbóna körülbelül 120 000 kalóriát tartalmaz, amelyet a mindennapi kommunikáció során szokásos módon kalória formájában fejeznek ki.

• Kalória a latin szó a hő kifejezésére.

A kalória körülbelül 4,184 J-nak felel meg, vagyis az élelmiszer-címkéken kalóriaként kezelt kcal egyenlő 4 184 J vagy 4,184 kJ. Az energiafelhasználás mértékét (joule per másodperc) a fizika területén hatalomnak nevezzük, az SI egység pedig a watt (W), amely 1 J / s-nak felel meg. Ezért egy kcal elegendő energiamennyiség ahhoz, hogy egy 0,35–0,4 kW (350 J / s) sebességgel zümmögő rendszert kb. 12 másodpercig tápláljon:

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

• Egy kiképzett állóképességű sportoló, például kerékpáros vagy futó képes hosszabb ideig fenntartani egy ilyen teljesítményt. Elméletileg tehát egy 100 "kalóriatartalmú" (100 kcal) energiaital kb. 100-szor 12 másodpercig vagy 20 percig tarthatta az olimpiai országúti kerékpárosokat vagy maratoni futókat. Mivel az emberi rendszer mechanikailag közel sem száz százalékos, valójában több mint 300 kcal-ra van szükség ahhoz, hogy ekkora teljes aerob kapacitás mellett működjön.
  

A kalória az 1 gramm víz hőmérsékletének 1 Celsius-fokkal történő növeléséhez szükséges hőmennyiség. Ennek egyik problémája az, hogy a víz hőmérsékletének c értéke kismértékben változik a H tartományban₂O folyadék. A "fajlagos hő" kifejezésben a "specifikus" nemcsak meghatározott anyagokra, hanem egy adott hőmérsékletre is vonatkozik.

• A legtöbb anyag fajlagos hőmérséklete 20-nál van megadva

  ° C vagy 25 ° C.

Technikailag a "hőkapacitás" és a "fajlagos hőkapacitás" kifejezések különböző dolgokat jelentenek, bár előfordulhat, hogy ezeket kevésbé szigorú forrásokban felcserélhetően használják.

A hőkapacitás, amikor eredetileg előállították, egyszerűen azt a hőmennyiséget jelenti, amely egy teljes tárgy (amely több anyagból is készülhet) adott mennyiségű felmelegítéséhez szükséges. A fajlagos hőkapacitás az 1 gramm hőmérsékletének emeléséhez szükséges hőmennyiségre vonatkozik egy adott anyagból 1 Celsius-fokkal vagy Kelvin-fokkal (° C vagy K).

• Noha a Celsius és a Kelvin hőmérsékleti skála nem azonos, rögzített összeggel különböznek egymástól, mivel ° C + 273 = K ahol K nem lehet negatív. Ez azt jelenti, hogy egy adott numerikus hőmérsékletváltozás az egyik skálán ugyanolyan mértékű változást eredményez a másikban, ellentétben a Fahrenheit-Celsius interkonverziókkal.

Ahelyett, hogy a "fajlagos hőkapacitást" rövidítené "hőkapacitásra", inkább használja a kifejezést fajlagos hő, akárcsak a jó hírű forrásokban alkalmazott egyezmény.

A célja a hőmennyiségmérő a folyamat során felszabaduló hő megkötése, például egy exoterm kémiai reakció során, amely egyébként elveszne a környezet számára. Amikor a rendszer hőmérsékletváltozása, valamint a kaloriméter egység tömege és fajlagos hője ismert, meghatározható az eljárás által a rendszerbe juttatott hőmennyiség. Példákat adunk egy következő szakaszban.

A kaloriméter számos különféle anyagból felépíthető, azzal a feltétellel, hogy szigetelőek legyenek (vagyis ne engedjék meg a hőátadást; a kifejezést az elektromágnesességben az elektromos töltésátadással szembeni ellenállásra is utalják).

Az egyik gyakori változat készülhet hungarocell csészéből és jól illeszkedő fedélből. Ebben a kávéscsésze kaloriméterben általában vizet használnak oldószerként, a hőmérőt és (ha szükséges) keverőpálcát szorosan illesztik a csésze fedelének kis lyukain keresztül.

A zárt rendszer hőváltozását (kaloriméter esetén definíció szerint pozitív) a a rendszer tömegének, a kaloriméter hőkapacitásának és a hőmérséklet hőmérsékletének változásának szorzata rendszer:

Hol:

• Q = fejlődött hő (egyenlő az elnyelt hővel - felszabaduló hővel) joule-ban (J)
• m = tömeg kilogrammban (kg)
• c = fajlagos hőteljesítmény J / kg⋅ ° C-ban (vagy J / kg⋅K)
• ∆T = hőmérsékletváltozás ° C-ban (vagy K-ban)

Az a hő, amely a kaloriméterben bármilyen exoterm (hőbocsátó) kémiai reakció következtében felszabadul, általában a környezetbe szóródna. Ez egy veszteség, amely az úgynevezett termodinamikai mennyiség változásának következménye entalpia amely leírja a rendszer belső energiáját és a rendszer nyomás-térfogat viszonyának változását. Ez a hő inkább az oldószer és a csésze fedele közé kerül.
Korábban bemutatták az energiatakarékosság gondolatát. Mivel a kaloriméterbe belépő hőnek meg kell egyeznie a rendszer által a reagensekből és maguknak a termékeknek a hőváltozás jele negatív, és ugyanolyan nagyságrendű, mint a hőmennyiségmérő.

A fenti és a kapcsolódó állítások azt feltételezik, hogy a hőmérőből csak hő vagy elhanyagolható mennyiségű hő távozik. A hő a melegebb felől a hűvösebb területekre mozog, ha nincs szigetelés, így megfelelő szigetelés nélkül a hő elhagyja a kaloriméter egység a környező környezethez, kivéve, ha a környezeti hőmérséklet magasabb, mint a hőmennyiségmérő.

A következő ábra néhány gyakran előforduló elem és vegyület fajlagos hőjét J / kg⋅ ° C-ban tartalmazza.

• H₂O, jég: 2,108
• H₂O, víz: 4,184
• H₂O, vízgőz: 2,062
• Metanol: 2,531
• Etanol: 2.438
• Benzol: 1.745
• Szén, grafit: 0,709
• Szén, gyémánt: 0,509
• Alumínium: 0,897
• Vas: 0,449
• Réz: 0,385
• Arany: 0,129

• Higany: 0,140

• Étkezési só (NaCl): 0,864

• Kvarc: 0,742
• Kalcit: 0,915

Vegye figyelembe, hogy a víz szokatlanul nagy hőkapacitással rendelkezik. Talán ellentmondásos, hogy egy gramm víz kevesebb mint egytizedével melegszik fel, mint egy gramm víz ugyanannyi hozzáadott hőmennyiség mellett, de ez fontos a bolygó körüli élet számára.

A víz testének körülbelül háromnegyedét teszi ki, így elviseli a környezeti hőmérséklet jelentős ingadozásait. Tágabb értelemben az óceánok hőtározóként működnek, hogy világszerte stabilizálják a hőmérsékleteket.

Most készen áll a kaloriméterekkel kapcsolatos számításokra.
1. példa: Először vegyük azt az egyszerű esetet, amikor egy gramm nátrium-hidroxidot (NaOH) 50 ml vízben oldunk 25 ° C-on. Ezen a hőmérsékleten vegye fel a víz hőkapacitását 4,184 J / kg⋅ ° C-ra, és az 50 ml vizet 50 gramm vagy 0,05 kg tömegűnek tekinti. Ha az oldat hőmérséklete 30,32 ° C-ra emelkedik, mennyi hőt nyer a kaloriméter?

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

= 1,113 kJ vagy 1113 J

2. példa: Most vegyük figyelembe egy otthoni napenergia-tároló egység esetét, amely egy eszköz egyre népszerűbb az idő múlásával. Tegyük fel, hogy ez az eszköz 400 liter vizet használ fel a hőenergia tárolására.
Tiszta nyári napon a víz kezdeti hőmérséklete 23,0 ° C. A nap folyamán a víz hőmérséklete 39,0 ° C-ra emelkedik, amikor az egység "vízfalon" kering. Mennyi energiát tároltak a vízben?

Tegyük fel ismét, hogy a víz tömege 400 kg, vagyis hogy a víz sűrűsége ebben a hőmérséklet-tartományban pontosan 1,0-nek tekinthető (ez egyszerűsítés).

Az érdeklődés egyenlete ezúttal:

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

= 26,778 J = 26,78 kJ.

Ez elegendő energia egy 1,5 kW-os helyiségfűtés kb. 17 másodpercig történő táplálásához:

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

Valószínűleg a háztulajdonosok más felhasználást terveznek rá, ha napenergia-házban élnek.

Használhat online számológépeket, amelyek lehetővé teszik a konvertálást a fajlagos hőegységek között, beleértve a szokatlan, de nem teljesen kihalt egységeket, mint például a Btu / lb_m^oF.