כיצד לחשב את החום שצבר הקלורימטר

בשלב כלשהו בחיים שלך, בטח תהית מה קָלוֹרִיָה הוא לאחר שבדק תווית מידע על תזונה של אוכל נתון. מלבד משהו שאנשים רבים אוהבים לראות מספרים נמוכים יותר הקשורים אליו כאשר הם סורקים תוויות כאלה, מהי קלוריה?

ואיך "קלוריות" מוסיפות מסה למערכות החיים, אם זה בעצם מה שקורה? ואיך אתה יכול להיות בטוח שנקבע במדויק מספר הקלוריות הרשומות לפריט מסוים - האם הערך הזה מרגיע או מדכא?

חוֹם הוא אחד המאפיינים הרבים של העולם הסביבתי שכנראה תוכלו לתאר היטב בכמה מילים שנבחרו היטב, אך יש לו משמעות ממוקדת יותר במדעי הפיסיקה. הקלוריות הן מדד לחום, כמו גם הג'אול (J) והיחידה התרמית הבריטית (btu). המחקר של חילופי חום הוא ענף של מדע הפיזיקה המכונה קלורימטריה, שבתורו מסתמך על מכשירים שנקראים קלורימטרים.

באופן אינטואיטיבי, אתה עשוי למצוא את זה מוזר שאוכלים צוננים או קפואים כמו גלידה ועוגת גבינה יכולים לארוז הרבה ממה שלכאורה הוא חום למנה קטנה. כמו כן, אם קלוריות מתורגמות איכשהו לחום, אסור שמזונות המספקים יותר מכך באמת יובילו למשקל הֶפסֵד ולא תוספת מסת גוף?

אלה שאלות טובות, ואחרי ש"אתן שורפים "את המשך המאמר הזה, יש לכם את התשובות האלה ועוד הרבה דברים לקחת למעבדת הקלורימטריה הבאה שלכם או לדיון בתזונת ספורט.

ניתן לחשוב על חום בעיקר כ אנרגיית תרמית. כמו צורות אנרגיה אחרות, יש לו יחידות של ג'אול (או שווה ערך ביחידות שאינן SI). חום הוא כמות חמקמקה בכך שקשה למדוד ישירות. במקום זאת, ניתן להשתמש בשינויים בטמפרטורה בתנאי ניסוי מבוקרים כדי לקבוע אם מערכת צברה או איבדה חום.

העובדה שמטפלים בחום כאנרגיה פירושה שמעקב אחריו הוא תרגיל פשוט מתמטי, אפילו אם ניסויים לעיתים מקשים על קביעת תנאים שבהם אנרגיית חום לא בורחת וחומקת ממדידה. אבל בגלל מציאות בסיסית כמו חוק שימור האנרגיה, טבלת החום היא די פשוטה באופן עקרוני.

לחומרים יש רמות שונות של עמידות בפני טמפרטורות משתנות כאשר כמות חום נתונה מתווספת לכמות קבועה של אותו חומר. כלומר, אם לקחתם קילוגרם אחד של חומר A וקילו אחד של חומר B והוספתם לכל אחד את אותה כמות חום, ללא חום שמותר לצאת גם מערכת, הטמפרטורה של A עשויה לעלות בחמישית בלבד כמו הטמפרטורה של חומר B.

פירוש הדבר שלחומר A יש חום ספציפי חמש פעמים מזה של חומר A, מושג שיש לבחון בפירוט להלן.

"הקלוריות" המופיעות על תוויות התזונה הן למעשה קילוקלוריות, או קק"ל. כך שבמציאות, פחית טיפוסית של סודה מסוכרת מכילה כ -120,000 קלוריות, המתבטאת על ידי מוסכמות כקלוריות בתקשורת היומיומית.

• קלור היא המילה הלטינית עבור, כראוי, חום.

הקלוריות שוות ערך לכ- 4.184 J, כלומר הקק"ל המטופל כקלוריה בתוויות המזון שווה ל- 4,184 J או 4.184 kJ. קצב הוצאת האנרגיה (ג'אול לשנייה) במדע הפיזיקלי נקרא כוח, ויחידת SI היא הוואט (W), שווה ל- 1 J / s. קק"ל אחד הוא אפוא כמות מספקת של אנרגיה להפעלת מערכת המהמהמת ב -0.35 עד 0.4 קילוואט (350 J / s) למשך כ- 12 שניות:

P = E / t, אז t = E / P = 4.186 kJ / (0.35 kJ / s) = 12.0.

• ספורטאי סיבולת מאומן כמו רוכב אופניים או רץ מסוגל לשמור על תפוקת כוח כזו לאורך תקופות ממושכות. בתיאוריה, אם כן, משקה אנרגיה של 100 "קלוריות" (100 קק"ל) יכול לשמור על רוכב אופני כביש אולימפי או רץ מרתון כ- 100 פעמים 12 שניות, או 20 דקות. מכיוון שהמערכת האנושית אינה יעילה מכנית כמעט במאה אחוז, היא למעשה דורשת יותר מ -300 קק"ל כדי לפעול קרוב ליכולת אירובית מלאה לאורך זמן זה.
  

ה קָלוֹרִיָה מוגדר ככמות החום הנדרשת להגדלת הטמפרטורה של גרם אחד של מים ב מעלה אחת צלזיוס. בעיה אחת בכך היא שיש וריאציה קלה של c המים עם הטמפרטורה בטווח הטמפרטורות בהן H₂O הוא נוזל. ה"ספציפי "ב"חום ספציפי" מתייחס לא רק לחומרים ספציפיים אלא לטמפרטורה ספציפית.

• החימום הספציפי של רוב החומרים ניתן ב -20

  ° C או 25 ° C.

מבחינה טכנית, המונחים "קיבולת חום" ו"קיבולת חום ספציפית "פירושם דברים שונים, למרות שאתה עשוי לראות אותם משמשים להחלפה במקורות פחות קפדניים.

קיבולת החום, כאשר הוטבע במקור, התייחסה פשוט לכמות החום הנדרשת לחימום אובייקט שלם (שעשוי להיות עשוי מחומרים מרובים) בכמות נתונה. קיבולת חום ספציפית מתייחסת לכמות החום הדרושה להעלאת הטמפרטורה של גרם אחד של חומר ספציפי על ידי מעלה אחת צלזיוס או קלווין (° C או K).

• אמנם מאזני הטמפרטורה צלזיוס וקלווין אינם זהים, אך הם שונים בכמות קבועה, שכן ° C + 273 = K כאשר K אינו יכול להיות שלילי. המשמעות היא ששינוי מספרי נתון בטמפרטורה בקנה מידה אחד מייצר את אותו גודל שינוי אצל השני, בניגוד למקרה בהמרות פרנהייט-צלזיוס.

במקום לקצר "יכולת חום ספציפית" ל"קיבולת חום ", במקום זאת השתמש במונח חום ספציפי, כמו האמנה במקורות מכובדים.

מטרת א קלורימטר זה לתפוס את החום המשתחרר בתהליך כלשהו, ​​כגון תגובה כימית אקסותרמית, שאחרת תאבד לאיכות הסביבה. כאשר ידוע על שינוי הטמפרטורה של המערכת והמסה והחום הספציפי של מכלול הקלורימטר, ניתן לקבוע את כמות החום שהוכנסה למערכת על ידי התהליך. דוגמאות מובאות בחלק הבא.

ניתן לבנות קלורימטר ממספר חומרים שונים, בתנאי שהם מבודדים (כלומר, אינם מותרים להעברת חום; המונח משמש גם באלקטרומגנטיות כדי להתייחס להתנגדות נגד העברת מטענים חשמליים).

ניתן להכין גרסה נפוצה אחת מכוס קלקר ומכסה הולם היטב. בקלורימטר כוס הקפה הזה משתמשים במים בדרך כלל כממיס, ומדחום ומקל ערבוב (אם יש צורך) מותקנים היטב דרך חורים קטנים במכסה הכוס.

השינוי בחום של מערכת סגורה (חיובי בהגדרה במקרה של קלורימטר) ניתן על ידי ה- תוצר של מסת המערכת, קיבולת החום של הקלורימטר ושינוי הטמפרטורה של מערכת:

איפה:

• Q = חום התפתח (שווה לספיגת חום - שחרור חום) בג'אול (J)
• m = מסה בק"ג (ק"ג)
• c = קיבולת חום ספציפית ב- J / kg⋅ ° C (או J / kg⋅K)
• ∆T = שינוי טמפרטורה ב- ° C (או K)

החום שמשתחרר מכל תגובה כימית אקסותרמית (המשחררת חום) המתרחשת בקלורימטר יתפזר בדרך כלל לסביבה. זהו אובדן שגירדו עד לשינוי בכמות התרמודינמית המכונה אנלפיה המתאר הן את האנרגיה הפנימית של המערכת והן את השינויים ביחסי הלחץ-נפח של המערכת. במקום זאת נלכד חום זה בין הממיס למכסה הכוס.
מוקדם יותר הוצג רעיון שימור האנרגיה. מכיוון שהחום שנכנס לקלורימטר חייב להיות שווה לחום שמשחררת המערכת בתוך הקלורימטר המורכב ממגיבים ו מוצרים עצמם, סימן שינוי החום למערכת זו הוא שלילי ובאותה גודל כמו החום שנצבר על ידי קלורימטר.

ההצהרות הנ"ל וההתייחסות להן מניחות שרק שום חום או כמויות זניחות של חום לא בורחות מהקלורימטר. חום נע מאזורים חמים יותר לקרירים כאשר הבידוד אינו קיים, כך שללא בידוד מתאים החום יעזוב את מכלול הקלורימטר לסביבה הסביבתית אלא אם כן הטמפרטורה הסביבתית חמה מזו של קלורימטר.

התרשים הבא כולל את החום הספציפי ב- J / kg⋅ ° C של כמה אלמנטים ותרכובות נפוצים.

• ה₂O, קרח: 2.108
• ה₂O, מים: 4.184
• ה₂O, אדי מים: 2.062
• מתנול: 2.531
• אתנול: 2.438
• בנזן: 1.745
• פחמן, גרפיט: 0.709
• פחמן, יהלום: 0.509
• אלומיניום: 0.897
• ברזל: 0.449
• נחושת: 0.385
• זהב: 0.129

• כספית: 0.140

• מלח שולחן (NaCl): 0.864

• קוורץ: 0.742
• קלציט: 0.915

שימו לב שלמים יש יכולת חום גדולה במיוחד. זה אולי לא אינטואיטיבי שגרם מים יתחמם בפחות מעשירית כמו גרם מים בהינתן אותה כמות של חום נוסף, אך זה חשוב לחיים ברחבי כדור הארץ.

מים מהווים כשלושה רבעים מגופך, מה שמסוגל לסבול תנודות גדולות בטמפרטורה הסביבתית. באופן רחב יותר, האוקיאנוסים משמשים כמאגרי חום המסייעים בייצוב הטמפרטורות ברחבי העולם.

עכשיו אתה מוכן לחישובים הכוללים קלורימטרים.
דוגמה 1: ראשית, קח את המקרה הפשוט של גרם של נתרן הידרוקסיד (NaOH) מומס ב 50 מ"ל מים ב 25 מעלות צלזיוס. קח את קיבולת החום של מים בטמפרטורה זו להיות 4.184 J / kg⋅ ° C ושקול של 50 מ"ל מים יש מסה של 50 גרם, או 0.05 ק"ג. אם טמפרטורת התמיסה עולה ל -30.32 מעלות צלזיוס, כמה חום צובר הקלורימטר?

יש לך Q = mc∆T = (0.05 ק"ג) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (30.32 - 5.32 ° C)

= 1.113 kJ או 1,113 J.

דוגמה 2: שקול כעת את המקרה של יחידת אחסון ביתית לאנרגיה סולארית, מכשיר שהופך פופולרי יותר עם הזמן. נניח שמכשיר זה משתמש באחסון אנרגיה תרמית של 400 ליטר מים.
ביום קיץ בהיר הטמפרטורה הראשונית של המים היא 23.0 מעלות צלזיוס. במהלך היום טמפרטורת המים עולה ל 39.0 מעלות צלזיוס כשהם מסתובבים דרך "קיר המים" של היחידה. כמה אנרגיה נשמרה במים?

שוב, נניח שמסת המים היא 400 ק"ג, כלומר שצפיפות המים יכולה להיחשב כ 1.0 בדיוק בטווח הטמפרטורות הזה (זהו פשט).

משוואת העניין הפעם היא:

Q = mc∆T = (400 ק"ג) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)

= 26,778 J = 26.78 kJ.

זו מספיק אנרגיה להפעלת תנור חימום של 1.5 קילוואט למשך כ- 17 שניות:

(26.78 kJ) (קילוואט / (kJ / s) / (1.5 קילוואט) = 17.85 שניות

סביר להניח שבעלי הבית מתוכננים לשימוש אחר אם הם גרים בבית סולארי.

אתה יכול להשתמש במחשבונים מקוונים המאפשרים לך להמיר בקלות בין יחידות של חום ספציפי, כולל יחידות יוצאות דופן אך לא נכחדות לחלוטין כגון Btu / lb_M^oפ.