Kaip apskaičiuoti kalorimetro gaunamą šilumą

Tam tikru gyvenimo momentu tikriausiai susimąstėte, kas a kalorijų yra pažiūrėjęs į tam tikro maisto informacijos apie maistingumą etiketę. Kas yra kalorija, išskyrus tai, kas daugeliui žmonių patinka matant mažesnius skaičius, kai jie nuskaito tokias etiketes?

Ir kaip „kalorijos“ prideda masę į gyvąją sistemą, jei iš tikrųjų taip nutinka? Ir kaip jūs galite būti tikri, ar tiksliai nustatytas nurodyto produkto kalorijų skaičius - ar ši vertė raminanti, ar slegianti?

Šiluma yra viena iš daugelio aplinkos pasaulio savybių, kurią tikriausiai galite gerai apibūdinti keliais savo tinkamai parinktais žodžiais, tačiau fiziniuose moksluose ji turi tikslingesnę prasmę. Kalorija yra šilumos matas, kaip ir džaulis (J) ir Didžiosios Britanijos terminis vienetas (btu). Šilumos mainų tyrimas yra fizikos mokslo šaka, žinoma kaip kalorimetrija, kuris savo ruožtu remiasi vadinamaisiais įrenginiais kalorimetrai.

Intuityviai jums gali pasirodyti keista, kad atšaldyti ar sušaldyti maisto produktai, pavyzdžiui, ledai ir sūrio pyragas, gali į mažą porciją supakuoti daugybę tariamai šilumos. Be to, jei kalorijos kažkaip virsta šiluma, ar maisto produktai, tiekiantys daugiau jų, neturėtų sukelti svorio

Tai yra geri klausimai, ir po to, kai „sudeginsite“ visą likusį straipsnį, turėsite šiuos ir dar daugiau atsakymų į kitą kalorimetrijos laboratoriją ar diskusiją apie sportą ir mitybą.

Šilumą galima laikyti daugiausia kaip šiluminė energija. Kaip ir kitos energijos formos, ji turi vienetus džauliai (arba atitikmuo ne SI vienetais). Šiluma yra sunkiai suvokiamas dydis, nes ją sunku tiesiogiai išmatuoti. Vietoj to, temperatūros pokyčiai kontroliuojamomis eksperimentinėmis sąlygomis gali būti naudojami siekiant nustatyti, ar sistema įgijo ar prarado šilumą.

Tai, kad šiluma traktuojama kaip energija, reiškia, kad jos sekimas yra matematiškai paprastas pratimas jei eksperimentai kartais apsunkina sąlygų, kuriomis neišeina šilumos energija, nustatymą ir išvengia matavimo. Tačiau dėl pagrindinių realijų, tokių kaip energijos taupymo įstatymas, šilumos lentelės iš esmės yra gana paprastos.

Medžiagos turi skirtingą atsparumo besikeičiančiai temperatūrai lygį, kai į fiksuotą tos medžiagos kiekį pridedamas tam tikras šilumos kiekis. Tai yra, jei paėmėte 1 kilogramą A medžiagos ir 1 kilogramą B medžiagos ir kiekvienam pridėjote tą patį šilumos kiekį, be šilumos sistema, A temperatūra gali pakilti tik penktadaliu tiek, kiek padidėja medžiagos B temperatūra.

Tai reikštų, kad A medžiaga turi specifinė šiluma penkis kartus daugiau nei A medžiaga, ši sąvoka turi būti išsamiai išnagrinėta toliau.

„Kalorija“, nurodyta maistingumo etiketėse, iš tikrųjų yra kilokalorija arba kcal. Taigi iš tikrųjų įprasta cukruotos sodos skardinė turi apie 120 000 kalorijų, įprastu būdu išreikšta kaip kalorija kasdieniniame bendravime.

• Kalorija yra lotyniškas žodis, atitinkamai, šiluma.

Kalorija yra lygi maždaug 4,184 J, tai reiškia, kad maisto produktų etiketėse kalorijomis laikomas kcal yra lygus 4 184 J arba 4,184 kJ. Fizikos moksle energijos sąnaudos (džauliai per sekundę) vadinamos galia, o SI vienetas yra vatas (W), lygus 1 J / s. Todėl vienas kcal yra pakankamas energijos kiekis, kad sistema veiktų 0,35–0,4 kW (350 J / s) apie 12 sekundžių:

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

• Treniruotas ištvermės sportininkas, pavyzdžiui, dviratininkas ar bėgikas, gali išlaikyti tokią galią ilgą laiką. Teoriškai tada 100 kalorijų (100 kcal) energinis gėrimas olimpinį plento dviratininką ar maratono bėgiką galėjo išlaikyti maždaug 100 kartų 12 sekundžių arba 20 minučių. Kadangi žmogaus sistema nėra beveik 100 proc. Mechaniškai efektyvi, iš tikrųjų tam reikia daugiau nei 300 kcal, kad taip ilgai veiktų beveik visu aerobiniu pajėgumu.
  

kalorijų apibrėžiamas kaip šilumos kiekis, reikalingas 1 gramo vandens temperatūrai padidinti 1 laipsniu Celsijaus. Viena iš problemų yra tai, kad vandens temperatūra c šiek tiek kinta esant temperatūrų diapazonui, kuriame H₂O yra skystis. Sąvoka „specifinė šiluma“ reiškia ne tik konkrečias medžiagas, bet ir konkrečią temperatūrą.

• Konkretūs daugumos medžiagų šilumai yra 20

  ° C arba 25 ° C.

Techniškai terminai „šilumos talpa“ ir „specifinė šilumos talpa“ reiškia skirtingus dalykus, nors galite pastebėti, kad jie naudojami ne taip griežtuose šaltiniuose kaip pakaitomis.

Iš pradžių sukurtas šilumos tūris reiškia tiesiog šilumos kiekį, reikalingą tam tikram kiekiui pašildyti visą objektą (kuris gali būti pagamintas iš kelių medžiagų). Savitasis šilumos tūris reiškia šilumos kiekį, reikalingą 1 gramo temperatūrai pakelti konkrečios medžiagos 1 laipsniu Celsijaus arba Kelvino (° C arba K).

• Nors Celsijaus ir Kelvino temperatūros skalės nėra vienodos, jos skiriasi fiksuotu dydžiu, nes ° C + 273 = K, kur K negali būti neigiamas. Tai reiškia, kad duotas skaitmeninis temperatūros pokytis vienoje skalėje sukelia tą patį pokyčio dydį kitoje, skirtingai nei Fahrenheito ir Celsijaus konversijos.

Užuot sutrumpinę „savitasis šilumos pajėgumas“ iki „šilumos pajėgumas“, naudokite šį terminą specifinė šiluma, kaip yra sutartis gerbtuose šaltiniuose.

A tikslas kalorimetras yra užfiksuoti šilumą, išsiskiriančią per tam tikrą procesą, pvz., egzoterminę cheminę reakciją, kuri kitu atveju būtų prarasta aplinkai. Kai žinomas sistemos temperatūros pokytis, kalorimetro agregato masė ir savitoji šiluma, galima nustatyti šilumos kiekį, kurį į sistemą įdeda procesas. Pavyzdžiai pateikti kitame skyriuje.

Kalorimetras gali būti pastatytas iš daugybės skirtingų medžiagų, su sąlyga, kad jie yra izoliuojantys (t. Y. Neleidžia šilumos perduoti; terminas taip pat vartojamas elektromagnetizme, nurodant atsparumą elektros krūvio perdavimui).

Vieną įprastą variantą galima pagaminti iš putplasčio putplasčio ir gerai prigludusio dangčio. Šiame kavos puodelio kalorimetre vanduo paprastai naudojamas kaip tirpiklis, o termometras ir (jei reikia) maišymo lazdelė tvirtai pritvirtinami per mažas skylutes puodelio dangtelyje.

Uždaros sistemos šilumos pokytį (pagal apibrėžimą teigiamą kalorimetro atveju) pateikia - sistemos masės, kalorimetro šiluminės talpos ir temperatūros pokyčio sandauga sistema:

Kur:

• Q = šiluma, išsivysčiusi (lygi absorbuotai šilumai - išskiriamai šilumai) džauliais (J)
• m = masė kilogramais (kg)
• c = savitasis šilumos tūris J / kg⋅ ° C (arba J / kg⋅K)
• ∆T = temperatūros pokytis ° C (arba K)

Šiluma, išsiskirianti iš bet kokios egzoterminės (šilumą išskiriančios) cheminės reakcijos, vykstančios kalorimetre, paprastai išsisklaidytų aplinkoje. Tai nuostoliai, nulemti termodinaminio kiekio, vadinamo, pasikeitimo entalpija tai apibūdina sistemos vidinę energiją ir sistemos slėgio ir tūrio santykio pokyčius. Ši šiluma sulaikoma tarp tirpiklio ir puodelio dangtelio.
Anksčiau buvo pristatyta energijos taupymo idėja. Kadangi į kalorimetrą patenkanti šiluma turi būti lygi šilumai, kurią išskiria sistema kalorimetre, kurį sudaro reagentai ir Pačių produktų šilumos kaitos ženklas šiai sistemai yra neigiamas ir tokio pat dydžio kaip ir šilumos, gautos naudojant kalorimetras.

Pirmiau pateiktuose ir susijusiuose teiginiuose daroma prielaida, kad iš kalorimetro neišbėga tik jokia šiluma arba nežymūs šilumos kiekiai. Kai šilumos nėra, šiluma pereina iš šiltesnių į vėsesnius plotus, todėl be tinkamos izoliacijos šiluma paliks - kalorimetro surinkimas aplinkos aplinkai, nebent aplinkos temperatūra būtų šiltesnė nei kalorimetras.

Šioje diagramoje pateikiama kai kurių dažniausiai sutinkamų elementų ir junginių savitoji šiluma J / kg⋅ ° C.

• H₂O, ledas: 2.108
• H₂O, vanduo: 4,184
• H₂O, vandens garai: 2,062
• Metanolis: 2,531
• Etanolis: 2.438
• Benzenas: 1.745
• Anglis, grafitas: 0,709
• Anglis, deimantas: 0,509
• Aliuminis: 0,897
• Geležis: 0,449
• Varis: 0,385
• Auksas: 0,129

• Gyvsidabris: 0,140

• Valgomoji druska (NaCl): 0,864

• Kvarcas: 0,742
• Kalcitas: 0,915

Atkreipkite dėmesį, kad vanduo turi neįprastai didelę šiluminę galią. Galbūt prieštarauja tai, kad gramas vandens sušildys mažiau nei dešimtadaliu tiek, kiek gramas vandens, gaunant tą patį kiekį pridėtinės šilumos, tačiau tai svarbu gyvenimui visoje planetoje.

Vanduo sudaro maždaug tris ketvirtadalius jūsų kūno, todėl jūs galite toleruoti didelius aplinkos temperatūros svyravimus. Plačiau tariant, vandenynai veikia kaip šilumos rezervuarai, padedantys stabilizuoti temperatūrą visame pasaulyje.

Dabar esate pasirengę atlikti skaičiavimus, susijusius su kalorimetrais.
1 pavyzdys: Pirmiausia paimkite paprastą atvejį, kai gramas natrio hidroksido (NaOH) ištirpinamas 50 ml vandens 25 ° C temperatūroje. Šioje temperatūroje vandens šiluminė galia laikoma 4,184 J / kg⋅ ° C, o 50 ml vandens masė yra 50 gramų arba 0,05 kg. Jei tirpalo temperatūra pakyla iki 30,32 ° C, kiek šilumos gauna kalorimetras?

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

= 1,113 kJ arba 1113 J.

2 pavyzdys: Dabar apsvarstykite namų saulės energijos kaupimo įrenginio atvejį - prietaisas laikui bėgant tampa vis populiaresnis. Tarkime, kad šiluminei energijai kaupti šis prietaisas naudoja 400 l vandens.
Giedrą vasaros dieną pradinė vandens temperatūra yra 23,0 ° C. Dienos metu vandens temperatūra pakyla iki 39,0 ° C, nes jis cirkuliuoja per įrenginio „vandens sienelę“. Kiek energijos buvo sukaupta vandenyje?

Vėlgi, tarkime, kad vandens masė yra 400 kg, tai yra, kad vandens tankis šiame temperatūros diapazone gali būti laikomas lygiai 1,0 (tai yra supaprastinimas).

Šį kartą dominanti lygtis yra:

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

= 26,778 J = 26,78 kJ.

Tiek energijos pakanka 1,5 kW galios šildytuvui maitinti maždaug 17 sekundžių:

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

Labiausiai tikėtina, kad namo savininkai planuoja kitokį naudojimą, jei gyvena saulės namuose.

Galite naudoti internetinius skaičiuotuvus, leidžiančius lengvai konvertuoti tarp specifinės šilumos vienetų, įskaitant neįprastus, bet ne iki galo išnykusius vienetus, tokius kaip Btu / lb_m^oF.