כיצד לחשב את קיבולת החום

אם אתה צופה לפני השטח של בריכה קפואה לאט לאט בשעות אחר הצהריים החורפיות החמות באופן טיפוסי, ורואה את אותו הדבר מתרחש בשטח משטח של שלולית קפואה בגודל טוב, תוכלו לראות את הקרח בכל אחד מהם הופך למים בערך ציון.

אבל מה אם כל אור השמש הנופל על פני השטח החשופה של הבריכה, אולי דונם בגודל, היה מתמקד בו זמנית על פני השלולית?

האינטואיציה שלך כנראה אומרת לך שלא רק ששטח השלולית יימס למים מהר מאוד, אלא גם השלולית כולה עשויה אפילו להפוך לאדי מים כמעט באופן מיידי, ולעקוף את שלב הנוזלים ולהפוך למימי גַז. אך מדוע מבחינה מדעית פיזיקלית זה צריך להיות?

אותה אינטואיציה כנראה אומרת לך שיש קשר בין חום, מסת ושינוי בטמפרטורה של קרח, מים או שניהם.

כשזה קורה, זה המקרה והרעיון משתרע גם על חומרים אחרים, שלכל אחד מהם שונה "התנגדויות" לחום, המתבטאות בשינויי טמפרטורה שונים בתגובה לכמות נתונה אם מוסיפים חוֹם. רעיונות אלה משלבים את המושגים של חום ספציפי ו קיבולת חום.

חום הוא אחת הצורות לכאורה אינספור לכמות המכונה אנרגיה בפיזיקה. לאנרגיה יש יחידות כוח כפול מרחק, או ניוטון-מטר, אך בדרך כלל זה נקרא ג'ול (J). בחלק מהיישומים הקלוריות, השוות 4.18 J, היא היחידה הסטנדרטית; אצל אחרים, ה- btu, או יחידת הנושא הבריטית, שולטת ביום.

חום נוטה "לנוע" מאזורים חמים לקרירים יותר, כלומר לאזורים שיש בהם פחות חום. בעוד שלא ניתן להחזיק או לראות חום, ניתן למדוד שינויים בגודלו באמצעות שינויים בטמפרטורה.

טמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של קבוצת מולקולות, כמו כוס מים או מיכל של גז. הוספת חום מעלה את האנרגיה הקינטית המולקולרית הזו, ומכאן הטמפרטורה, תוך הפחתה בה מורידה את הטמפרטורה.

מדוע ג'אול שווה 4.18 קלוריות? מכיוון שהקלוריות (cal), אמנם אינן יחידת החום SI, נגזרת מיחידות מטריות והיא בסיסית באופן: היא את כמות החום נדרש להעלות גרם מים אחד בטמפרטורת החדר ב- 1 K או ב- 1 מעלות צלזיוס. (שינוי של מעלה אחת בסולם קלווין זהה לשינוי של מעלה אחת בסולם צלזיוס; עם זאת, השניים מתקזזים בכ- 273 מעלות, כך ש- 0 K = 273.15 מעלות צלזיוס.)

• ה"קלוריות "על תוויות המזון הוא למעשה קילוקלוריות (קק"ל) כלומר פחית סודה ממותקת של 12 גרם מכילה כ -150,000 קלוריות אמיתיות.

הדרך בה ניתן לקבוע דבר כזה באמצעות ניסויים, באמצעות מים או חומר אחר, היא למקם מסה מסוימת שלו בתוך מיכל, הוסיפו כמות חום נתונה מבלי לאפשר לחומר או לחום לברוח מהרכבה, ומדדו את השינוי טֶמפֶּרָטוּרָה.

מכיוון שאתה מכיר את מסת החומר ויכול להניח שהחום והטמפרטורה אחידים לכל אורכו, אתה יכול לקבוע על ידי חלוקה פשוטה כמה חום ישנה כמות יחידה, כמו גרם אחד, באותה המידה טֶמפֶּרָטוּרָה.

נוסחת קיבולת החום מגיעה בצורות שונות, אך כולן באותה משוואה בסיסית:

Q = mCΔT

משוואה זו קובעת בפשטות שהשינוי בחום Q של מערכת סגורה (נוזל, גז או מוצק חומר) שווה למסה m של הדגימה כפול שינוי הטמפרטורה ΔT כפול פרמטר C. שקוראים לו קיבולת חום ספציפית, או רק חום ספציפי. ככל שערך C גבוה יותר, כך מערכת יכולה לספוג יותר חום תוך שמירה על אותה עליית טמפרטורה.

קיבולת החום היא כמות החום הדרושה כדי להגדיל את הטמפרטורה של אובייקט בכמות מסוימת (בדרך כלל 1 K), ולכן יחידות SI הן J / K. האובייקט יכול להיות אחיד, או שהוא לא יכול להיות. ניתן יהיה לקבוע בערך את יכולת החום של תערובת של חומרים כגון בוץ אם אתה ידע את מסתו ומדד את שינוי הטמפרטורה שלו בתגובה לחימוםו במכשיר אטום של חלקם סוג.

כמות שימושית יותר בכימיה, בפיזיקה ובהנדסה היא קיבולת חום ספציפית C, נמדד ביחידות חום ליחידת מסת. יחידות קיבולת חום ספציפיות הן בדרך כלל ג'אול לגרם קלווין, או J / g⋅K, למרות שהקילוגרם (ק"ג) הוא יחידת המסה SI. אחת הסיבות לכך שחום ספציפי שימושי היא שאם יש לך מסה ידועה של חומר אחיד ואתה יודע את החום שלו יכולת, אתה יכול לשפוט את כשירותו לשמש "גוף קירור" כדי למנוע סיכוני שריפה בניסויים מסוימים מצבים.

למים יש למעשה יכולת חום גבוהה מאוד. בהתחשב בכך שגוף האדם חייב להיות מסוגל לסבול הוספה או חיסור של כמויות חום משמעותיות בזכות כדור הארץ בתנאים משתנים, זו תהיה דרישה בסיסית של כל יישות ביולוגית שעשויה בעיקר ממים, כמעט כל החיים דברים הם.

תארו לעצמכם אצטדיון ספורט המושיב 100 אלף איש, ואחר ברחבי העיר שמאכלס 50 אלף איש. במבט חטוף ברור ש"קיבולת המושב "המוחלטת של האצטדיון הראשון היא כפולה מזו של השני. אבל גם דמיין שהאיצטדיון השני בנוי בצורה כזו שהוא תופס בלבד רבע מהנפח של הראשון.

אם אתה עושה את האלגברה, אתה מגלה שהאצטדיון הקטן יותר יושב באמת בכפליים אנשים ליחידת שטח כגדול יותר, מה שמעניק לו כפליים את ערך "המושב הספציפי".

באנלוגיה זו, חשוב על צופים בודדים כיחידות חום בסדר גודל זהה, הזורמות לאצטדיון ומחוצה לו. בעוד שהאצטדיון הגדול יותר יכול להכיל כפליים "חום" בסך הכל, האצטדיון הקטן יותר יכול למעשה "לאחסן" גרסה זו של "חום" לכל שטח יחידה.

אם מניחים שכל קטע בגודל זהה בשני האצטדיונים מייצר את אותה כמות של זבל לאחר המשחק כשהוא מלא, ללא קשר למספר האנשים שהיא מחזיקה, הקטן יעיל פי שניים בהפחתת המלטה שֶׁל אִישִׁי צופים; תחשוב על זה כעל גמישות כפולה לעליית טמפרטורה ליחידת חום שנוספה.

מכאן, ניתן לראות שאם לשני עצמים עם אותו חום ספציפי יש מסות שונות, לגדול יותר תהיה קיבולת חום גדולה יותר בכמות המתכווננת עם כמה שהוא מסיבי יותר. כאשר משווים עצמים בעלי מסות שונות ומחממים ספציפיים שונים, המצב נעשה מורכב יותר.

לנחושת המתכת יש חום ספציפי של 0.386 J / g⋅K. כמה חום דרוש כדי להעלות את הטמפרטורה של 1 ק"ג (1,000 גרם, או 2.2 פאונד) נחושת מ 0 ° C ל 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1,000 גרם) (0.386 J / g⋅K) (100 K) = 38,600 J = 38.6 kJ.

מה ה קיבולת חום מגוש הנחושת הזה? אתה צריך 38,600 J כדי להגדיל את כל המסה ב 100 K, אז אתה צריך 1/100 מזה כדי לדחוף אותו ב 1 K. לפיכך קיבולת החום של נחושת בגודל זה היא 386 י '.