Šilumos talpa yra fizikos terminas, apibūdinantis, kiek šilumos reikia pridėti prie medžiagos, kad temperatūra pakiltų 1 laipsniu Celsijaus. Tai susiję su, bet skiriasi nuo, specifinė šiluma, kuris yra šilumos kiekis, reikalingas tiksliai 1 gramui (arba kitam fiksuotam masės vienetui) pakelti 1 laipsniu Celsijaus. Medžiagos šiluminę galią C gauti iš jos savitosios šilumos S reikia padauginti iš kiekio medžiagos ir įsitikinkite, kad naudojate tuos pačius masės vienetus problema. Šilumos talpa, paprastai tariant, yra objekto gebėjimo atsispirti šildymui, pridedant šilumos energiją, rodiklis.
Materija gali egzistuoti kaip kieta medžiaga, skystis arba dujos. Dujų atveju šilumos talpa gali priklausyti nuo aplinkos slėgio ir nuo aplinkos temperatūros. Mokslininkai dažnai nori žinoti dujų šiluminę galią esant pastoviam slėgiui, o kitiems kintamiesiems, pavyzdžiui, temperatūrai, leidžiama keistis; tai vadinama Cp. Panašiai gali būti naudinga nustatyti dujų šiluminę galią pastoviu tūriu arba Cv. C santykisp į Cv siūlo gyvybiškai svarbią informaciją apie dujų termodinamines savybes.
Termodinamikos mokslas
Prieš pradedant diskusiją apie šilumos talpą ir specifinę šilumą, naudinga pirmiausia suprasti šilumos perdavimo pagrindus fizikoje ir apskritai šilumos sampratą, ir susipažink su kai kuriomis pagrindinėmis disciplinos lygtimis.
Termodinamika yra fizikos šaka, susijusi su sistemos darbu ir energija. Darbas, energija ir šiluma fizikoje turi vienodus vienetus, nepaisant skirtingų reikšmių ir pritaikymo. SI (standartinis tarptautinis) šilumos vienetas yra džaulis. Darbas apibrėžiamas kaip jėga, padauginta iš atstumo, taigi, atsižvelgiant į kiekvieno iš šių dydžių SI vienetus, džaulis yra tas pats, kas niutonmetras. Kiti vienetai, su kuriais greičiausiai susidursite dėl šilumos, yra kalorijos (cal), britų terminiai vienetai (btu) ir erg. (Atkreipkite dėmesį, kad „kalorijos“, kurias matote maisto maistingumo etiketėse, iš tikrųjų yra kilokalorijos, o „kilo-“ yra graikiškas priešdėlis, žymintis „tūkstantis“; taigi, pastebėjus, kad, tarkime, į 12 uncijų sodos skardinę įeina 120 „kalorijų“, tai iš tikrųjų yra lygi 120 000 kalorijų oficialia fizine prasme.)
Dujos elgiasi kitaip nei skysčiai ir kietosios medžiagos. Todėl aerodinamikos ir susijusių disciplinų pasaulio fizikai, kuriems natūraliai labai rūpi oro ir kitų dujų elgesys savo darbe su greitaeigiais varikliais ir skraidymo mašinomis turi ypatingą susirūpinimą dėl šiluminės galios ir kitų kiekybiškai įvertinamų fizinių parametrų, susijusių su materija valstija. Vienas pavyzdžių yra entalpija, kuris yra uždaros sistemos vidinės šilumos matas. Tai sistemos energijos ir jos slėgio bei tūrio sandaugos suma:
H = E + PV
Tiksliau sakant, entalpijos pokytis yra susijęs su dujų kiekio pokyčiu santykiu:
∆H = E + P∆V
Graikiškas simbolis ∆ arba delta reiškia „pasikeitimas“ arba „skirtumas“ pagal fizikos ir matematikos susitarimą. Be to, galite patikrinti, ar slėgio ir tūrio tūris suteikia darbo vienetų; slėgis matuojamas niutonais / m2, o tūris gali būti išreikštas m3.
Be to, dujų slėgis ir tūris yra susiję pagal lygtį:
P∆V = R∆T
kur T yra temperatūra, o R yra konstanta, kurios kiekvienos dujos vertė skiriasi.
Nereikia šių lygčių skirti atminčiai, tačiau vėliau jos bus aptartos diskusijoje apie Cp ir Cv.
Kas yra šilumos talpa?
Kaip pažymėta, šilumos talpa ir specifinė šiluma yra susiję dydžiai. Pirmasis iš tikrųjų kyla iš antrojo. Savitasis karštis yra būsenos kintamasis, reiškiantis, kad jis susijęs tik su būdingomis medžiagos savybėmis, o ne su tuo, kiek jos yra. Todėl jis išreiškiamas šiluma masės vienetui. Kita vertus, šilumos talpa priklauso nuo to, kiek atitinkamos medžiagos šiluma perduodama, ir tai nėra būsenos kintamasis.
Visa materija turi su ja susijusią temperatūrą. Tai gali būti ne pirmas dalykas, kuris ateina į galvą, kai pastebite daiktą („Įdomu, kokia ta knyga yra šilta?“), Tačiau pakeliui galbūt turite sužinojau, kad mokslininkams jokiomis sąlygomis niekada nepavyko pasiekti absoliutaus nulio temperatūros, nors jie atėjo kankinamai Uždaryti. (Priežastis, kad žmonės siekia tokio dalyko, yra susijusi su itin aukštomis ypač šaltų medžiagų laidumo savybėmis; tiesiog pagalvokite apie fizinio elektros laidininko, neturinčio praktiškai jokio pasipriešinimo, vertę.) Temperatūra yra molekulių judėjimo matas. Kietose medžiagose medžiaga yra išdėstyta grotelėse arba tinklelyje, o molekulės negali laisvai judėti. Skystyje molekulės yra laisvesnės judėti, tačiau jos vis tiek yra labai suvaržytos. Dujose molekulės gali judėti labai laisvai. Bet kokiu atveju nepamirškite, kad žema temperatūra reiškia mažą molekulinį judėjimą.
Kai norite perkelti objektą, įskaitant ir save, iš vienos fizinės vietos į kitą, turite tai išeikvoti - arba kitaip dirbti. Jūs turite keltis ir eiti per kambarį, arba turite paspausti automobilio akseleratoriaus pedalą, kad priverstumėte degalus per jo variklį ir priverstumėte automobilį judėti. Panašiai, mikro lygiu, energijos įvedimas į sistemą reikalingas, kad jos molekulės judėtų. Jei šios energijos sąnaudos pakanka, kad padidėtų molekulinis judėjimas, tai, remiantis aukščiau pateikta diskusija, tai būtinai reiškia, kad padidėja ir medžiagos temperatūra.
Skirtingų įprastų medžiagų savitosios šilumos vertės yra labai skirtingos. Pavyzdžiui, tarp metalų auksas tikrinamas 0,129 J / g ° C temperatūroje, o tai reiškia, kad pakanka 0,129 džaulių šilumos, kad 1 gramo aukso temperatūra pakiltų 1 laipsniu Celsijaus. Atminkite, kad ši vertė nesikeičia, atsižvelgiant į esamo aukso kiekį, nes masė jau yra apskaityta konkrečių šilumos vienetų vardiklyje. Tai netinka šilumos talpai, kaip jūs netrukus sužinosite.
Šilumos talpa: paprasti skaičiavimai
Daugelį įvadinės fizikos studentų stebina tai, kad savitoji vandens šiluma - 4,179 - yra žymiai didesnė nei paprastųjų metalų. (Šiame straipsnyje visos specifinės šilumos vertės nurodytos J / g ° C.) Be to, ledo šiluminė talpa, 2,03, yra mažesnė nei pusė vandens, nors abi sudaro H2O. Tai rodo, kad junginio būsena, o ne tik jo molekulinė sudėtis, turi įtakos jo savitosios šilumos vertei.
Bet kokiu atveju tarkime, kad jūsų prašoma nustatyti, kiek šilumos reikia, kad 150 g geležies (kurios savitoji šiluma arba S yra 0,450) temperatūra pakiltų 5 C. Kaip jūs tai darytumėte?
Skaičiavimas yra labai paprastas; padauginkite savitąją šilumą S iš medžiagos kiekio ir temperatūros pokyčio. Kadangi S = 0,450 J / g ° C, šilumos kiekis, kurį reikia pridėti J, yra (0,450) (g) (∆T) = (0,450) (150) (5) = 337,5 J. Kitas būdas tai išreikšti yra pasakyti, kad 150 g geležies šiluminė talpa yra 67,5 J, o tai yra ne daugiau kaip savitoji šiluma S, padauginta iš esamos medžiagos masės. Akivaizdu, kad nors skysto vandens šiluminė talpa esant tam tikrai temperatūrai yra pastovi, tam prireiktų žymiai daugiau šilumos sušildyti vieną iš Didžiųjų ežerų net dešimtadaliu laipsnio, nei reikėtų, kad pinta vandens sušiltų 1 laipsniu, arba 10 ar net 50.
Koks yra Cp ir Cv santykis γ?
Ankstesniame skyriuje jūs buvote supažindinti su dujų sąlyginio šiluminio pajėgumo idėja, ty šilumos talpos vertėmis, kurios taikoma tam tikrai medžiagai tokiomis sąlygomis, kai temperatūra (T) arba slėgis (P) visą laiką laikomi pastoviais problema. Jums taip pat buvo pateiktos pagrindinės lygtys ∆H = E + P∆V ir P∆V = R∆T.
Iš dviejų pastarųjų lygčių galite pamatyti, kad kitas būdas išreikšti entalpijos pokyčius ,H yra:
R + R∆T
Nors išvedimas čia nepateiktas, vienas iš būdų išreikšti pirmąjį termodinamikos dėsnį, kuris taikomas uždarytas sistemas ir apie kurias jūs girdėjote šnekamojoje kalboje sakant: „Energija nėra nei kuriama, nei naikinama“ yra:
∆E = Cv∆T
Paprasčiau tariant, tai reiškia, kad kai į sistemą, įskaitant dujas, pridedamas tam tikras energijos kiekis ir neleidžiama keisti tų dujų tūrio (Cv), jo temperatūra turi pakilti tiesiogiai proporcingai tų dujų šilumos talpos vertei.
Tarp šių kintamųjų egzistuoja dar vienas ryšys, leidžiantis išgauti šilumos talpą esant pastoviam slėgiui, Cp, o ne pastovus tūris. Šie santykiai yra dar vienas būdas apibūdinti entalpiją:
∆H = Cp∆T
Jei esate išmanantis algebroje, galite pasiekti kritinį ryšį tarp Cv ir Cp:
Cp = Cv + R
Tai reiškia, kad pastovaus slėgio dujų šiluminė talpa yra didesnė už pastovaus tūrio šilumos talpą tam tikru pastoviu R, kuris yra susijęs su specifinėmis tikrinamų dujų savybėmis. Tai turi intuityvią prasmę; jei įsivaizduojate, kad dujoms leidžiama išsiplėsti reaguojant į didėjantį vidinį slėgį, tikriausiai galite suvokti kad jis turės mažiau sušilti, reaguodamas į tam tikrą energijos papildymą, nei tuo atveju, jei jis būtų apribotas tuo pačiu vietos.
Galiausiai, naudodamiesi visa šia informacija, galite apibrėžti kitą konkrečiai medžiagai kintamąjį γ, kuris yra C santykisp į Cvarba Cp/ Cv. Iš ankstesnės lygties matosi, kad šis santykis didėja dujoms, kurių R reikšmės yra didesnės.
Oro Cp ir Cv
Cp ir Cv oro yra svarbūs tiriant skysčių dinamiką, nes oras (kurį sudaro daugiausia azoto ir deguonies mišinys) yra dažniausiai pasitaikančios dujos. Tiek Cp ir Cv yra priklausomi nuo temperatūros ir nėra visiškai tokie patys; kaip būna, Cv kylant temperatūrai kyla šiek tiek greičiau. Tai reiškia, kad „pastovioji“ γ iš tikrųjų nėra pastovi, tačiau stebėtinai artima esant tikėtinų temperatūrų diapazonui. Pavyzdžiui, esant 300 laipsnių Kelvinui arba K (lygus 27 C), γ reikšmė yra 1 400; esant 400 K temperatūrai, kuri yra 127 C ir gerokai viršija vandens virimo tašką, γ vertė yra 1,395.