Jei stebite, kad netipiškai šiltą žiemos popietę užšalusio tvenkinio paviršius lėtai tirpsta, ir stebite tą patį netoliese esančio gero dydžio sušalusios balos paviršiaus, galite pastebėti, kad ledas kiekvienoje vietoje virsta vandeniu maždaug tuo pačiu norma.
Bet ką daryti, jei visa saulės šviesa, krintanti ant atviro tvenkinio paviršiaus, galbūt hektaro dydžio, vienu metu būtų nukreipta į balos paviršių?
Tavo intuicija tikriausiai pasako, kad balos paviršius labai greitai ištirptų vandenyje, bet ir visa bala gali net akimirksniu tapti vandens garais, aplenkdama skysčio fazę, kad taptų vandeninga dujos. Bet kodėl tai turėtų būti fizikos mokslo požiūriu?
Ta pati intuicija greičiausiai jums sako, kad yra ryšys tarp šilumos, masės ir ledo, vandens ar abiejų temperatūros pokyčių.
Kaip atsitinka, taip yra ir idėja apima ir kitas medžiagas, kurių kiekviena turi skirtingą "atsparumas" šilumai, pasireiškiantis skirtingais temperatūros pokyčiais, atsižvelgiant į tam tikrą kiekį, jei jis pridedamas šilumos. Šios idėjos kartu siūlo „ specifinė šiluma ir šilumos talpa.
Kas yra šiluma fizikoje?
Šiluma yra viena iš, atrodo, nesuskaičiuojamų kiekių formų, vadinamų energija fizikoje. Energija turi jėgos vienetus, atstumą arba niutonmetrą, tačiau tai paprastai vadinama džauliu (J). Kai kuriose programose kalorija, lygi 4,18 J, yra standartinis vienetas; dar kituose btu arba Didžiosios Britanijos teminis padalinys valdo dieną.
Šiluma linkusi „persikelti“ iš šiltesnių į vėsesnes zonas, tai yra į regionus, kuriuose šiuo metu yra mažiau šilumos. Nors šiluma negali būti laikoma ar matoma, jos dydžio pokyčius galima išmatuoti keičiantis temperatūrai.
Temperatūra yra vidutinė kinetinės energijos, esančios molekulių rinkinyje, pavyzdžiui, stiklinė su vandeniu ar dujų talpykla, matas. Pridėjus šilumos padidėja molekulinė kinetinė energija, taigi ir temperatūra, o sumažinus - temperatūra žemėja.
Kas yra kalorimetrija?
Kodėl džaulis yra lygus 4,18 kalorijos? Kadangi kalorijų kiekis (cal) nėra SI šilumos vienetas, jis gaunamas iš metrinių vienetų ir yra tam tikra prasme pagrindinis: šilumos kiekio reikia pakelti vieną gramą vandens kambario temperatūroje 1 K arba 1 ° C. (1 laipsnio pokytis Kelvino skalėje yra identiškas 1 laipsnio pokyčiui Celsijaus skalėje; tačiau abu jie atsveria maždaug 273 laipsniais, kad 0 K = 273,15 ° C.)
- Maisto produktų etiketėse esanti „kalorija“ iš tikrųjų yra kilokalorijų (kcal) reikšmė, kad 12 uncijų skardinėje saldžiosios sodos yra apie 150 000 tikrų kalorijų.
Tai, kaip eksperimentuojant galima nustatyti tokį dalyką, naudojant vandenį ar kitą medžiagą, yra įdėti tam tikrą jo masę į indą, įpilkite tam tikrą šilumos kiekį, neleidžiant jokiai medžiagai ar šilumai išeiti iš surinkimo, ir išmatuokite pokyčius temperatūra.
Kadangi jūs žinote medžiagos masę ir galite manyti, kad šiluma ir temperatūra yra vienodi, jūs gali paprastu dalijimu nustatyti, kiek šilumos tuo pačiu pakeistų vieneto kiekį, pvz., 1 gramą temperatūra.
Paaiškinta šilumos talpos lygtis
Šilumos talpos formulė yra įvairių formų, tačiau jos visos atitinka tą pačią pagrindinę lygtį:
Q = mCΔT
Ši lygtis tiesiog nurodo, kad uždaros sistemos (skysčio, dujų ar kietosios medžiagos) šilumos pokytis Q medžiaga) yra lygi mėginio masei, padaugintai iš temperatūros pokyčio ΔT, padauginus iš parametro C paskambino savitoji šilumos talpa, arba tiesiog specifinė šiluma. Kuo didesnė C vertė, tuo daugiau šilumos sistema gali sugerti, išlaikydama tą patį temperatūros padidėjimą.
Kas yra specifinis šilumos pajėgumas?
Šilumos talpa - tai šilumos kiekis, reikalingas objekto temperatūrai padidinti tam tikru kiekiu (paprastai 1 K), taigi SI vienetai yra J / K. Objektas gali būti vienodas arba ne. Jei būtų, būtų galima apytiksliai nustatyti tokių medžiagų kaip purvas mišinio šiluminę galią žinojo jo masę ir matavo temperatūros pokyčius, reaguodamas į kaitinimą kai kuriuose sandariuose įtaisuose rūšiuoti.
Naudingesnis kiekis yra chemijoje, fizikoje ir inžinerijoje savitoji šilumos talpa C, matuojamas šilumos vienetais masės vienetui. Specifiniai šilumos talpos vienetai paprastai yra džauliai grame kelvino arba J / g⋅K, nors kilogramas (kg) yra SI masės vienetas. Viena iš priežasčių, kodėl specifinė šiluma yra naudinga, yra ta, kad jei turite žinomą vienodos medžiagos masę ir žinote jos šilumą pajėgumą, galite įvertinti jo tinkamumą naudoti kaip „šilumos kriauklę“, kad tam tikruose eksperimentuose išvengtumėte gaisro rizikos situacijose.
Vanduo iš tikrųjų turi labai didelę šiluminę galią. Atsižvelgiant į tai, kad žmogaus kūnas turi sugebėti toleruoti didelių šilumos kiekių pridėjimą ar atėmimą Žemės dėka kintančiomis sąlygomis, tai būtų pagrindinis bet kokio biologinio vieneto, kuris yra daugiausia pagamintas iš vandens, reikalavimas, kaip ir beveik visas didelis gyvenimas viskas yra.
Šilumos talpa vs. Specifinė šiluma
Įsivaizduokite sporto stadioną, kuriame telpa 100 000 žmonių, ir kitą miestą, kuriame telpa 50 000 žmonių. Iš pirmo žvilgsnio akivaizdu, kad absoliutus pirmojo stadiono „vietų skaičius“ yra dvigubai didesnis nei antrojo. Bet taip pat įsivaizduokite, kad antrasis stadionas yra pastatytas taip, kad užimtų tik jį viena ketvirtoji pirmojo tūrio.
Jei atliksite algebrą, pastebėsite, kad mažesniame stadione iš tikrųjų telpa dvigubai daugiau žmonių vienam vietos vienetui kaip didesnė, suteikiant jai dvigubai didesnę vertę už „konkrečios vietos“ vertę.
Pagal šią analogiją pagalvokite apie atskirus žiūrovus kaip apie vienodo dydžio šilumos vienetus, tekančius į stadioną ir iš jo. Nors didesnis stadionas gali išlaikyti dvigubai daugiau „šilumos“, mažesnis stadionas iš tikrųjų turi dvigubai daugiau galimybių „laikyti“ šią „šilumos“ versiją vieneto plote.
Jei manoma, kad kiekviena vienodo dydžio abiejų stadionų atkarpa užpildžius tiek pat šiukšlių po žaidimo, nepriklausomai nuo to, kiek žmonių joje telpa, mažesnis bus dvigubai efektyvesnis mažinant šiukšles apie individualus žiūrovai; manykite, kad tai yra dvigubai atsparesnė temperatūros padidėjimui, tenkančiam vienam šilumos vienetui.
Iš to jūs galite pamatyti, kad jei dviejų objektų, turinčių tą pačią specifinę šilumą, masė skiriasi, didesnio šiluminė galia bus didesnė, atsižvelgiant į tai, kokia masyvesnė. Lyginant skirtingų masių ir skirtingų specifinių karščių objektus, situacija tampa kompleksiškesnė.
Specifinės šilumos talpos skaičiavimo pavyzdys
Metalo vario savitoji šiluma yra 0,386 J / g⋅K. Kiek šilumos reikia, kad 1 kg (1 000 g, arba 2,2 svaro) vario temperatūra pakiltų nuo 0 ° C iki 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1 000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38 600 J = 38,6 kJ.
Kas yra šilumos talpa šio vario gabalėlio? Jums reikia 38 600 J, kad pakeltumėte visą masę 100 K, taigi jums prireiks 1/100 šios sumos, kad ją pakeltumėte 1 K. Taigi šio dydžio vario šiluminė talpa yra 386 J.