Ha azt figyeli, hogy egy fagyott tó felszíne lassan olvad egy atipikusan meleg téli délutánon, és ugyanezt figyeli a egy közeli, jó méretű, fagyott tócsa felszínén, megfigyelheti, hogy a jég körülbelül egyformán vízzé alakul mérték.
De mi van akkor, ha a tó szabad felületére hulló, esetleg egy hektár nagyságú napfény egyidejűleg a tócsa felületére koncentrálódik?
A megérzése valószínűleg azt mondja neked, hogy a tócsa felszíne nemcsak nagyon gyorsan olvadna vízbe, hanem az egész tócsa szinte azonnal vízgőzzé válhat, megkerülve a folyékony fázist, hogy vizes legyen gáz. De miért kellene ez fizikatudományi szempontból?
Ugyanez az intuíció valószínűleg azt mondja Önnek, hogy összefüggés van a hő, a tömeg és a jég, a víz vagy mindkettő hőmérsékletváltozása között.
Amint előfordul, ez a helyzet, és az ötlet kiterjed más anyagokra is, amelyek mindegyikének más és más a hővel szembeni "ellenállások", amelyek különböző hőmérséklet-változásokban nyilvánulnak meg adott mennyiségre adott válaszként, ha hozzáadódnak hő. Ezek az ötletek együtt kínálják a fajlagos hő és hőkapacitás.
Mi a hő a fizikában?
A hő a fizikában energia néven ismert mennyiség számtalan formájának egyike. Az energiának van egysége az erő és a távolság vagy newtonméter között, de ezt általában joule-nak (J) nevezik. Egyes alkalmazásokban a 4,18 J-nak megfelelő kalória a standard egység; megint másokban a btu, vagy a brit tematikus egység uralja a napot.
A hő általában a melegebb helyiségekről a hűvösebb területekre "költözik", vagyis azokba a régiókba, amelyekbe jelenleg kevesebb a hő. Míg a hőt nem lehet tartani vagy látni, annak nagyságának változása a hőmérséklet változásával mérhető.
A hőmérséklet egy molekulacsoport átlagos kinetikus energiájának a mértéke, például egy főzőpohár víz vagy egy tartály egy gáz. A hő hozzáadása megemeli ezt a molekuláris kinetikus energiát és ennélfogva a hőmérsékletet, miközben csökkenti a hőmérsékletet.
Mi a kalorimetria?
Miért egyenlő a joule 4,18 kalóriával? Mivel a kalória (cal), bár nem az SI hőegysége, metrikus egységekből származik, és bizonyos szempontból alapvető: a hőmennyiség szükséges, hogy egy gramm vizet szobahőmérsékleten 1 K-val vagy 1 ° C-kal emeljünk. (A Kelvin-skála 1 fokos változása megegyezik a Celsius-skála 1 fokos változásával; azonban a kettőt körülbelül 273 fokkal ellensúlyozza, így 0 K = 273,15 ° C.)
- Az élelmiszerek címkéin szereplő "kalória" valójában kilokalória (kcal), vagyis egy 12 uncia dobozos cukros szóda körülbelül 150 000 valódi kalóriát tartalmaz.
Az a módszer, amellyel kísérletezés útján, víz vagy valamilyen más anyag felhasználásával meghatározható, az, hogy egy adott tömegét egy tartályba, adjon hozzá egy adott mennyiségű hőt anélkül, hogy bármely anyag vagy hő elhagyná az egységet, és mérje meg a változását hőfok.
Mivel ismeri az anyag tömegét, és feltételezheti, hogy a hő és a hőmérséklet végig egyenletes, ezért egyszerű osztással meghatározhatja, hogy mennyi hő változtatna egységnyi mennyiséget, például 1 grammot ugyanezzel hőfok.
A hőkapacitás-egyenlet magyarázata
A hőkapacitás-képlet különféle formákban érkezik, de mindegyik ugyanazt az alapegyenletet jelenti:
Q = mCΔT
Ez az egyenlet egyszerűen azt állítja, hogy a zárt rendszer (folyadék, gáz vagy szilárd anyag) Q hőváltozása anyag) megegyezik a minta m tömegével, a hőmérséklet-változás ΔT-vel és a C paraméter szorzatával hívott fajlagos hőkapacitás, vagy csak fajlagos hő. Minél magasabb a C értéke, annál több hőt képes elnyelni egy rendszer, miközben ugyanaz a hőmérséklet-növekedés fennmarad.
Mi a fajlagos hőkapacitás?
A hőkapacitás az a hőmennyiség, amely szükséges egy tárgy hőmérsékletének bizonyos mértékű (általában 1 K) növeléséhez, tehát az SI egységek J / K. Az objektum lehet egyenletes, vagy nem. Nagyjából meg lehetne határozni az olyan anyagok keverékének hőkapacitását, mint például az iszap, ha igen tudta a tömegét és mérte a hőmérséklet változását, reagálva arra, hogy egyesek zárt készülékében felmelegítették fajta.
Hasznosabb mennyiség a kémia, a fizika és a technika területén fajlagos hőkapacitás C, tömegegységre eső hőegységekben mérve. A fajlagos hőkapacitási egységek általában joule / gramm-kelvin, vagy J / g⋅K, annak ellenére, hogy a kilogramm (kg) az SI tömegegysége. Az egyik oka annak, hogy a fajlagos hő hasznos, az az, hogy ha ismert az egységes anyag tömege, és tudja annak hőjét meg tudja ítélni, hogy képes-e "hűtőbordaként" szolgálni, hogy bizonyos kísérletekben elkerülje a tűzveszélyt helyzetek.
A víz valójában nagyon nagy hőkapacitással rendelkezik. Figyelembe véve, hogy az emberi testnek képesnek kell lennie elviselni a jelentős mennyiségű hő hozzáadását vagy kivonását a Földnek köszönhetően változó körülmények között ez minden olyan biológiai entitás alapvető követelménye lenne, amely főleg vízből áll, mivel szinte az összes jelentős élet a dolgok vannak.
Hőkapacitás vs. Fajlagos hő
Képzeljünk el egy sportstadiont, amely 100 000 embert fogad, és egy másik várost, amely 50 000 embert foglal magában. Ránézésre egyértelmű, hogy az első stadion abszolút "ülőhely-kapacitása" kétszerese a másodiknak. De képzelje el azt is, hogy a második stadion úgy van megépítve, hogy csak azt foglalja el egynegyed kötetének első.
Ha megcsinálja az algebrát, akkor azt tapasztalja, hogy a kisebb stadion valóban kétszer annyi helyet foglal el egységnyi helyenként mint a nagyobb, így kétszer akkora, mint a "saját ülés" értéke.
Ebben az analógiában gondoljon az egyes nézőkre, mint azonos nagyságrendű hőegységekre, amelyek beáramlanak a stadionba. Míg a nagyobb stadion kétszer annyi "hőt" képes eltartani, addig a kisebb stadion kétszer akkora kapacitással rendelkezik, hogy egységnyi helyenként "tárolja" a "hő" ezen változatát.
Ha feltételezzük, hogy mindkét stadion mindegyik azonos méretű szakasza megtölti ugyanannyi játék utáni szemetet, függetlenül attól, hogy hány embert tart, akkor a kisebb kétszer hatékonyabb lesz az alom csökkentésében nak,-nek Egyedi nézők; úgy gondolja, hogy ez kétszer olyan ellenálló a hőmérséklet-emelkedésekkel szemben a hozzáadott hőegységenként.
Ebből láthatja, hogy ha két azonos fajlagos hővel rendelkező objektumnak különböző a tömege, akkor a nagyobbiknak nagyobb lesz a hőkapacitása olyan mennyiséggel, amely méretezkedik azzal, hogy mennyivel masszívabb. Különböző tömegű és különböző fajlagos hőelemek összehasonlításával a helyzet bonyolultabbá válik.
Fajlagos hőkapacitás-számítási példa
A fémréz fajhője 0,386 J / g⋅K. Mennyi hőre van szükség ahhoz, hogy 1 kg (1000 g, vagy 2,2 font) réz hőmérsékletét 0 ° C-ról 100 ° C-ra emelje?
Q = (m) (C) (AT) = (1000 g) (0,386 J / gKK) (100 K) = 38 600 J = 38,6 kJ.
Mi a hőkapacitás ennek a darab réznek? 38 600 J-ra van szükség, hogy a teljes tömeget 100 K-val megemelje, tehát ennek 1/100-ára lenne szükség, hogy 1 K-val megdöntse. Így az ekkora réz hőkapacitása 386 J.