როგორ გამოვთვალოთ კალორიმეტრით მიღებული სითბო

თქვენი ცხოვრების რაღაც მომენტში ალბათ გაინტერესებთ რა კალორია მოცემული საკვების კვების-ინფორმაციის ეტიკეტის დათვალიერების შემდეგ. გარდა იმისა, რაც ბევრ ადამიანს უყვარს ნაკლები რაოდენობის ასოცირება, როდესაც ასეთ ეტიკეტებს სკანირებს, რა არის კალორია?

როგორ დაამატებენ მასა "კალორიებს" საცხოვრებელ სისტემებს, თუ ეს ხდება სინამდვილეში? და როგორ შეიძლება დარწმუნებული იყოთ, რომ მოცემული ნივთისთვის ჩამოთვლილი კალორიების რაოდენობა - იქნება ეს დამაჯერებელი ან დამთრგუნველი - ზუსტად არის განსაზღვრული?

სითბო არის გარემო სამყაროს მრავალი თვისება, რომლის ალბათ კარგად აღწერა რამდენიმე საკუთარი კარგად შერჩეული სიტყვით შეგიძლიათ, მაგრამ მას უფრო მეტად ფოკუსირებული მნიშვნელობა აქვს ფიზიკურ მეცნიერებებში. კალორია არის სითბოს საზომი, ისევე როგორც ჯოული (J) და ბრიტანული თერმული ერთეული (btu). სითბოს გაცვლის შესწავლა ფიზიკური მეცნიერების დარგია, რომელსაც ეწოდება კალორიმეტრია, რაც თავის მხრივ ეყრდნობა ე.წ. მოწყობილობებს კალორიმეტრები.

ინტუიციურად, შეიძლება უცნაური აღმოჩნდეთ, რომ გაციებულ ან გაყინულ საკვებს, როგორიცაა ნაყინს და ჩიზქეიკს, შეუძლია გაატაროს ბევრი, სავარაუდოდ, სითბო მცირე ულუფაში. გარდა ამისა, თუკი კალორიები როგორმე სითბოდ ითარგმნება, საკვებს, რომლებიც მის მეტ რაოდენობას აწვდის, არ უნდა გამოიწვიოს წონა?

ეს კარგი კითხვებია და მას შემდეგ რაც თქვენ დაწვავთ სტატიის დანარჩენ ნაწილს, თქვენ გექნებათ ეს პასუხები და მრავალი სხვა, რომ მიიღოთ შემდეგი კალორიმეტრიის ლაბორატორიაში ან სპორტულ-კვების საკითხებზე.

სითბო შეიძლება მოიაზროს ძირითადად თერმული ენერგია. ენერგიის სხვა ფორმების მსგავსად, მას აქვს ერთეული ჯოული (ან ექვივალენტი არა SI ერთეულებში). სითბო არის მოუხერხებელი რაოდენობა, რადგან ძნელია პირდაპირ გაზომვა. ამის ნაცვლად, ტემპერატურის ცვლილებები კონტროლირებად ექსპერიმენტულ პირობებში შეიძლება გამოყენებულ იქნეს სისტემის მიერ სითბოს მოპოვების ან დაკარგვის დასადგენად.

ის ფაქტი, რომ სითბო განიხილება, როგორც ენერგია, ნიშნავს, რომ მისი შენარჩუნება მათემატიკურად სწორი ვარჯიშია, თუნდაც თუ ექსპერიმენტები ზოგჯერ ართულებს პირობების შექმნას, როდესაც სითბოს ენერგია არ გაიქცევა და არ გაურბის გაზომვას. მაგრამ ფუნდამენტური რეალობის გამო, როგორიცაა ენერგიის შენარჩუნების კანონი, სითბოს ცხრილი პრინციპში საკმაოდ მარტივია.

მასალებს განსხვავებული ტემპერატურის წინააღმდეგობის დონე აქვთ, როდესაც ამ ნივთიერების ფიქსირებულ რაოდენობას ემატება სითბოს მოცემული რაოდენობა. ეს არის ის, რომ თქვენ აიღეთ 1 კილოგრამი ნივთიერება A და 1 კილოგრამი ნივთიერება B და დაუმატეთ იგივე რაოდენობის სითბო თითოეულს, ხოლო სითბოს დატოვება ნებადართული არ არის სისტემა, A ტემპერატურა შეიძლება გაიზარდოს მხოლოდ ერთი მეხუთედით, ვიდრე B ნივთიერების ტემპერატურა.

ეს ნიშნავს, რომ A ნივთიერებას აქვს a სპეციფიკური სითბო ხუთჯერ მეტი, ვიდრე A ნივთიერება, კონცეფცია, რომელიც დეტალურად უნდა შეისწავლოთ ქვემოთ.

კვების ეტიკეტზე ჩამოთვლილი "კალორია" სინამდვილეში კილოკალორიაა, ან კკალ. სინამდვილეში, შაქრიანი სოდის ჩვეულებრივ ქილას აქვს დაახლოებით 120,000 კალორია, რომელიც გამოხატულია ჩვეულებრივ კალორიად ყოველდღიურ კომუნიკაციაში.

• კალორია არის ლათინური სიტყვა, სათანადოდ საკმარისი, სითბო.

კალორია ექვივალენტურია დაახლოებით 4.184 J, რაც ნიშნავს, რომ კკალ, რომელიც კალორიად ითვლება საკვების ეტიკეტზე, უდრის 4,184 J ან 4,184 kJ. ფიზიკურ მეცნიერებაში ენერგიის ხარჯვის სიჩქარეს (წამში ჯოლები) ეწოდება სიმძლავრე, ხოლო SI ერთეული არის ვატი (W), ტოლი 1 J / წმ. ამრიგად, ერთი კკალ არის ენერგიის საკმარისი რაოდენობა იმისთვის, რომ სისტემაში დამუხრუჭდეს 0.35-დან 0.4 კვტ-მდე (350 J / წმ) დაახლოებით 12 წამი:

P = E / t, ასე რომ t = E / P = 4.186 კჯ / (0.35 კჯ / წმ) = 12.0.

• გამძლეობის გაწვრთნილ სპორტსმენს, როგორიცაა ველოსიპედისტი ან მორბენალი, შეუძლია შეინარჩუნოს ასეთი ენერგიის გამომუშავება ხანგრძლივი პერიოდის განმავლობაში. თეორიულად, 100 კალორიული ენერგიის მქონე სასმელს შეუძლია შეინარჩუნოს ოლიმპიური გზის ველოსიპედისტი ან მარათონის მორბენალი 100 – ჯერ 12 წამით, ან 20 წუთით. იმის გამო, რომ ადამიანის სისტემა თითქმის 100 პროცენტით არ არის მექანიკურად ეფექტური, ამ დროის განმავლობაში ის 300 კკალ – ზე მეტს მოითხოვს სრულ აერობულ ტევადობასთან ახლოს მუშაობისთვის.
  

კალორია განისაზღვრება, როგორც სითბოს რაოდენობა, რომელიც საჭიროა 1 გრამი წყლის ტემპერატურის 1 გრადუსით გაზრდისთვის. ამის ერთი პრობლემაა ის, რომ არსებობს წყლის ც მცირედი ცვალებადობა ტემპერატურის დიაპაზონში, სადაც H₂O არის სითხე. "სპეციფიკური" "სპეციფიკურ სითბოში" ეხება არა მხოლოდ სპეციფიკურ მასალებს, არამედ სპეციფიკურ ტემპერატურას.

• უმეტეს მასალების სპეციფიკური სიცხეები მოცემულია 20-ზე

  ° C ან 25 ° C.

ტექნიკური თვალსაზრისით, ტერმინები "სითბოს ტევადობა" და "სპეციფიკური სითბოს ტევადობა" ნიშნავს სხვადასხვა მნიშვნელობას, მიუხედავად იმისა, რომ თქვენ ხედავთ, რომ ეს გამოყენებულია ნაცვლად ნაკლებად მკაცრ წყაროებში.

სითბოს ტევადობა, როდესაც თავდაპირველად გაითავისეს, გულისხმობდა უბრალოდ სითბოს რაოდენობას, რომელიც საჭიროა მთელი ობიექტის გასათბობად (რომელიც შეიძლება მრავალი მასალისგან იყოს დამზადებული) მოცემული რაოდენობით. სპეციფიკური სითბოს ტევადობა გულისხმობს სითბოს რაოდენობას, რომელიც საჭიროა 1 გრამი ტემპერატურის ასამაღლებლად კონკრეტული მასალის 1 გრადუსი ცელსიუსით ან კელვინით (° C ან K).

• მიუხედავად იმისა, რომ ცელსიუსის და კელვინის ტემპერატურის მასშტაბები არ არის ერთი და იგივე, ისინი განსხვავდება ფიქსირებული რაოდენობით, რადგან ° C + 273 = K, სადაც K არ შეიძლება იყოს უარყოფითი. ეს ნიშნავს, რომ ტემპერატურის მოცემული რიცხვითი ცვლილება ერთ მასშტაბში აწარმოებს იმავე მასშტაბის ცვლილების სიდიდეს, განსხვავებით ფარენჰეიტ-ცელსიუსის ინტერვერსიების შემთხვევისგან.

ნაცვლად იმისა, რომ "სპეციფიკური სითბური სიმძლავრე" შეამციროთ "სითბოს ტევადობად", გამოიყენეთ ეს ტერმინი სპეციფიკური სითბო, როგორც ეს არის რეპუტაციის წყაროების კონვენცია.

მიზანი ა კალორიმეტრი არის გარკვეულ პროცესში გამოყოფილი სითბოს აღება, მაგალითად, ეგზოთერმული ქიმიური რეაქცია, რომელიც სხვაგვარად დაიკარგება გარემოსთვის. როდესაც სისტემის ტემპერატურის შეცვლა და კალორიმეტრის აწყობის მასა და სპეციფიკური სითბო ცნობილია, შეიძლება განისაზღვროს პროცესში სისტემაში შეყვანილი სითბოს რაოდენობა. მაგალითები მოცემულია შემდეგ განყოფილებაში.

კალორიმეტრი შეიძლება აშენდეს მრავალი მასალისგან, იმ პირობით, რომ ისინი იზოლირებენ (ანუ სითბოს გადაცემის ნებართვა არ არის; ეს ტერმინი ასევე გამოიყენება ელექტრომაგნეტიზმში ელექტრული მუხტის გადაცემის წინააღმდეგობის წინააღმდეგობის მიზნით).

ერთი ჩვეულებრივი ვერსია შეიძლება გაკეთდეს Styrofoam ჭიქისა და კარგად მოთავსებული სახურავისგან. ამ ყავის ფინჯან კალორიმეტრში, ჩვეულებრივ, წყალს იყენებენ გამხსნელად, თერმომეტრი და (საჭიროების შემთხვევაში) შემრევი ჯოხი მჭიდროდ ათავსებენ ჭიქის სახურავის პატარა ხვრელებს.

დახურული სისტემის სითბოს ცვლილებას (განსაზღვრულია პოზიტიური კალორიმეტრის შემთხვევაში) მოცემულია სისტემის მასის პროდუქტი, კალორიმეტრის სითბოს ტევადობა და ტემპერატურის ცვლილება სისტემა:

სად:

• Q = სითბო განვითარდა (ტოლია სითბოს, რომელიც შეიწოვება - გამოიყოფა სითბო) ჯოულებში (J)
• მ = მასა კილოგრამებში (კგ)
• c = სპეციფიკური სითბოს ტევადობა J / kg⋅ ° C (ან J / kg⋅K)
• ∆T = ტემპერატურის ცვლილება ° C- ში (ან K)

სითბო, რომელიც თავისუფლდება ნებისმიერი ეგზოთერმული (სითბოსგანთავისუფლებული) ქიმიური რეაქციისგან, კალორიმეტრში ჩვეულებრივ იფანტება გარემოში. ეს არის ზარალი, რომელიც ცარცით არის გამოწვეული თერმოდინამიკური რაოდენობის შეცვლამდე ენთალპია რომელიც აღწერს როგორც სისტემის შიდა ენერგიას, ასევე სისტემის წნევა-მოცულობის მიმართებაში ცვლილებებს. ამის ნაცვლად ეს სიცხე ხაფანგშია გამხსნელსა და ჭიქის სახურავს შორის.
ადრე შემოვიდა ენერგიის შენარჩუნების იდეა. იმის გამო, რომ კალორიმეტრში შემავალი სითბო უნდა იყოს ტოლი სისტემის მიერ გათავისუფლებული სითბო კალორიმეტრის შემადგენლობაში, რომელიც შედგება რეაქტივებისა და თავად პროდუქტები, ამ სისტემის სითბოს ცვლილების ნიშანი უარყოფითია და აქვს იგივე სიდიდე, როგორც სითბოს მიერ მიღებული სითბო კალორიმეტრი.

ზემოთ მოყვანილი და მასთან დაკავშირებული განცხადებები ითვალისწინებს, რომ მხოლოდ სითბო ან სითბოს უმნიშვნელო რაოდენობა არ იშორებს კალორიმეტრიდან. სითბო თბილიდან უფრო გრილ ადგილებზე გადადის, როდესაც იზოლაცია არ არის, ამიტომ სათანადო იზოლაციის გარეშე სითბო დატოვებს კალორიმეტრის აწყობა ატმოსფერული გარემოსთვის, თუ გარემოს ტემპერატურა არ არის უფრო თბილი ვიდრე კალორიმეტრი.

შემდეგი დიაგრამა მოიცავს სპეციფიკურ სითბოს J / kg⋅ ° C ზოგიერთ ჩვეულებრივ ელემენტსა და ნაერთში.

• ჰ₂O, ყინული: 2.108
• ჰ₂O, წყალი: 4.184
• ჰ₂O, წყლის ორთქლი: ​​2.062
• მეთანოლი: 2.531
• ეთანოლი: 2.438
• ბენზინი: 1.745
• ნახშირბადი, გრაფიტი: 0,709
• ნახშირბადი, ბრილიანტი: 0,509
• ალუმინის: 0.897
• რკინა: 0,449
• სპილენძი: 0,385
• ოქრო: 0,129

• მერკური: 0,140

• სუფრის მარილი (NaCl): 0,864

• კვარცი: 0,742
• კალციტი: 0,915

გაითვალისწინეთ, რომ წყალს აქვს უჩვეულოდ დიდი სითბოს ტევადობა. ალბათ უკუჩვენებაა, რომ გრამი წყალი თბება ერთ მეათედზე ნაკლები, ვიდრე გრამი წყალი, იგივე რაოდენობის სითბოს დამატებით, მაგრამ ეს მნიშვნელოვანია პლანეტის გარშემო ცხოვრებისთვის.

წყალი შეადგენს თქვენი სხეულის დაახლოებით სამ მეოთხედს, რაც საშუალებას გაძლევთ გადაიტანოთ გარემოში ტემპერატურის ძირითადი ცვლილებები. უფრო ფართოდ, ოკეანეები მოქმედებენ როგორც სითბური რეზერვუარები, რაც ხელს უწყობს ტემპერატურის სტაბილიზაციას მსოფლიოში.

ახლა თქვენ მზად ხართ რამდენიმე გამოთვლისთვის, რომლებიც მოიცავს კალორიმეტრს.
მაგალითი 1: პირველ რიგში, აიღეთ ნატრიუმის ჰიდროქსიდის გრამი (NaOH) გრამში გახსნილი 50 მლ წყალში 25 ° C ტემპერატურაზე. აიღეთ წყლის სითბოს ტევადობა ამ ტემპერატურაზე 4,184 J / kg⋅ ° C და ჩათვალეთ, რომ 50 მლ წყლის მასა 50 გრამი, ანუ 0,05 კგ. თუ ხსნარის ტემპერატურა 30,32 ° C- მდე იზრდება, რამდენ სითბოს იძენს კალორიმეტრი?

თქვენ გაქვთ Q = mc∆T = (0,05 კგ) (4,184 კჯ / კგ ⋅ ° C) (30,32 - 5,32 ° C)

= 1,113 კჯ ან 1,113 ჯ.

მაგალითი 2: ახლა განვიხილოთ სახლის მზის ენერგიის შესანახი ერთეული, ეს მოწყობილობა დროთა განმავლობაში უფრო პოპულარული ხდება. ჩათვალეთ, რომ ეს მოწყობილობა იყენებს 400 ლ წყალს თერმული ენერგიის შესანახად.
სუფთა ზაფხულის დღეს, წყლის საწყისი ტემპერატურა 23,0 ° C. დღის განმავლობაში წყლის ტემპერატურა იზრდება 39.0 ° C- მდე, როდესაც ის ცირკულირებს დანადგარის "წყლის კედელში". რამდენი ენერგია დაგროვდა წყალში?

კიდევ ერთხელ, ჩავთვალოთ, რომ წყლის მასა 400 კგ-ია, ანუ წყლის სიმკვრივე შეიძლება ჩაითვალოს ზუსტად 1.0 ამ ტემპერატურის დიაპაზონში (ეს არის გამარტივება).

ამჯერად ინტერესის განტოლებაა:

Q = mc∆T = (400 კგ) (4.184 კჯ / კგ ⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)

= 26,778 J = 26,78 კჯ.

ეს არის საკმარისი ენერგია 1.5 კვტ სიმძლავრის გამათბობელის ენერგიის დასაწყებად დაახლოებით 17 წამის განმავლობაში:

(26,78 კჯ) (კვტ / (კჯ / წმ) / (1,5 კვტ) = 17,85 წმ

სავარაუდოდ, სახლის მეპატრონეებს მას სხვაგვარი გამოყენება აქვთ დაგეგმილი, თუ ისინი მზის სახლში ცხოვრობენ.

შეგიძლიათ გამოიყენოთ ონლაინ კალკულატორები, რომლებიც საშუალებას მოგცემთ მარტივად გადაიყვანოთ კონკრეტული სითბოს ერთეულებს შორის, მათ შორის უჩვეულო, მაგრამ არა მთლიანად გადაშენებული ერთეულები, როგორიცაა Btu / lb_მ^ოფ.