Kā aprēķināt kalorimetra iegūto siltumu

Kādā dzīves posmā jūs, iespējams, esat domājis, kas a kaloriju ir pēc tam, kad ir apskatīts pārtikas produkta uzturvērtības informācijas marķējums. Kas ir kalorija, izņemot to, ko daudzi cilvēki vēlas redzēt zemākus skaitļus, kad viņi skenē šādas etiķetes?

Un kā "kalorijas" pievieno masu dzīvajām sistēmām, ja patiesībā tas notiek? Un kā jūs varat būt pārliecināts, ka kaloriju skaits, kas uzskaitīts attiecīgajam priekšmetam - vai šī vērtība ir nomierinoša vai nomācoša - ir precīzi noteikts?

Siltums ir viena no daudzajām apkārtējās pasaules īpašībām, kuru, iespējams, labi vari aprakstīt dažos savos labi izvēlētos vārdos, taču fizikālajās zinātnēs tai ir koncentrētāka nozīme. Kalorija ir siltuma mērs, tāpat kā džouls (J) un Lielbritānijas termiskā vienība (btu). Siltuma apmaiņas pētījums ir fizikas zinātnes nozare, kas pazīstama kā kalorimetrija, kas savukārt paļaujas uz ierīcēm, kuras sauc kalorimetri.

Intuitīvi jums var šķist dīvaini, ka atdzesēti vai saldēti pārtikas produkti, piemēram, saldējums un siera kūka, var iesaiņot daudz, it kā siltuma, nelielā porcijā. Turklāt, ja kalorijas kaut kādā veidā pārvēršas siltumā, vai pārtikai, kas to piegādā vairāk, nevajadzētu izraisīt svaru

Šie ir labi jautājumi, un pēc tam, kad būsit “sadedzinājis” pārējo šī raksta daļu, jums būs šīs atbildes un daudz kas cits, ko ņemt vērā nākamajā kalorimetrijas laboratorijā vai sporta un uztura diskusijā.

Par karstumu var domāt galvenokārt kā siltumenerģija. Tāpat kā citas enerģijas formas, tajā ir arī vienības džoulus (vai ekvivalents ne SI mērvienībās). Siltums ir nenotverams lielums, jo to ir grūti izmērīt tieši. Tā vietā temperatūras izmaiņas kontrolētos eksperimentālos apstākļos var izmantot, lai noteiktu, vai sistēma ir ieguvusi vai zaudējusi siltumu.

Tas, ka siltumu uzskata par enerģiju, nozīmē, ka tā izsekošana ir matemātiski vienkāršs vingrinājums ja eksperimenti dažkārt apgrūtina tādu apstākļu noteikšanu, kuros neizplūst siltuma enerģija, un novērš mērījumus. Bet tādu fundamentālo realitāšu dēļ kā enerģijas saglabāšanas likums, siltuma tabula principā ir diezgan vienkārša.

Materiāliem ir atšķirīgs izturības līmenis pret mainīgām temperatūrām, ja noteiktam daudzumam šīs vielas tiek pievienots noteikts siltuma daudzums. Tas ir, ja jūs paņēmāt 1 kilogramu vielas A un 1 kilogramu vielas B un katram pievienojāt tādu pašu siltuma daudzumu, bez siltuma sistēmā, A temperatūra var paaugstināties tikai par vienu piektdaļu tikpat daudz kā B vielas temperatūra.

Tas nozīmētu, ka vielai A ir īpašs karstums pieckārtīgi nekā A vielas jēdziens, kas sīkāk jāizpēta zemāk.

Uztura etiķetēs norādītā "kalorija" faktiski ir kilokalorija jeb kcal. Tātad patiesībā tipiskā cukurotās soda bundžā ir aptuveni 120 000 kaloriju, kas ikdienas saziņā ir izteiktas kā kalorijas.

• Kaloriju ir latīņu vārds, kas nozīmē karstumu.

Kalorija ir ekvivalenta apmēram 4,184 J, tas nozīmē, ka kcal, kas pārtikas produktu etiķetēs tiek uzskatīts par kaloriju, ir vienāds ar 4 184 J vai 4,184 kJ. Enerģijas patēriņa ātrumu (džoulus sekundē) fizikālajā zinātnē sauc par jaudu, un SI vienība ir vats (W), kas vienāds ar 1 J / s. Tāpēc viens kcal ir pietiekams enerģijas daudzums, lai darbinātu sistēmu, kas aptuveni 12 sekundes dungo pie 0,35 līdz 0,4 kW (350 J / s):

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

• Apmācīts izturības sportists, piemēram, velosipēdists vai skrējējs, spēj ilgstoši uzturēt šādu jaudu. Teorētiski 100 - kaloriju (100 kcal) enerģijas dzēriens - varētu olimpisko šosejas riteņbraucēju vai maratona skrējēju noturēt aptuveni 100 reizes 12 sekundes jeb 20 minūtes. Tā kā cilvēka sistēma nav gandrīz simtprocentīgi mehāniski efektīva, patiesībā ir nepieciešams vairāk nekā 300 kcal, lai tik ilgi darbotos ar gandrīz pilnu aerobo jaudu.
  

The kaloriju ir definēts kā siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai paaugstinātu 1 grama ūdens temperatūru par 1 grādu pēc Celsija. Viena problēma ar to ir tā, ka temperatūras diapazonā, kurā H, ir nelielas ūdens c izmaiņas ar temperatūru₂O ir šķidrums. "Specifiskais" "īpašajā siltumā" attiecas ne tikai uz konkrētiem materiāliem, bet arī uz noteiktu temperatūru.

• Lielākās daļas materiālu īpašie karstumi ir norādīti 20

  ° C vai 25 ° C.

Tehniski termini "siltuma jauda" un "īpatnējā siltuma jauda" nozīmē dažādas lietas, kaut arī jūs varat redzēt, ka tie tiek izmantoti savstarpēji aizstājami mazāk stingros avotos.

Sākotnēji izveidotā siltuma jauda attiecas tikai uz siltuma daudzumu, kas vajadzīgs visa objekta (kas var būt izgatavots no vairākiem materiāliem) sasildīšanai par noteiktu daudzumu. Īpatnējā siltuma jauda attiecas uz siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai paaugstinātu temperatūru par 1 gramu no konkrēta materiāla par 1 grādu pēc Celsija vai Kelvina (° C vai K).

• Kaut arī Celsija un Kelvina temperatūras skalas nav vienādas, tās atšķiras ar fiksētu daudzumu, jo ° C + 273 = K, kur K nevar būt negatīvs. Tas nozīmē, ka noteiktā skaitliskā temperatūras izmaiņa vienā skalā rada tādu pašu izmaiņu lielumu citā, atšķirībā no gadījumiem ar Fārenheita-Celsija starpkonversijām.

Tā vietā, lai saīsinātu "īpatnējo siltuma jaudu" uz "siltuma jaudu", izmantojiet šo terminu īpašs karstums, tāpat kā konvencija cienījamos avotos.

Mērķis kalorimetrs ir uztvert siltumu, kas izdalās kādā procesā, piemēram, eksotermiskā ķīmiskā reakcijā, kas citādi tiktu zaudēta videi. Kad ir zināma sistēmas temperatūras maiņa, kalorimetra komplekta masa un īpatnējais siltums, var noteikt siltuma daudzumu, kas sistēmā ievietots ar procesu. Piemēri ir sniegti nākamajā sadaļā.

Kalorimetru var uzbūvēt no vairākiem dažādiem materiāliem ar nosacījumu, ka tie ir izolējoši (t.i., nepieļauj siltuma pārnesi; termins tiek izmantots arī elektromagnētismā, lai apzīmētu pretestību pret elektriskā lādiņa pārnesi).

Vienu kopēju versiju var izgatavot no putupolistirola un labi pieguļoša vāka. Šajā kafijas tases kalorimetrā ūdeni parasti izmanto kā šķīdinātāju, un caur maziem caurumiem tases vākā cieši piestiprina termometru un (ja nepieciešams) maisīšanas spieķi.

Slēgtas sistēmas siltuma izmaiņas (pēc definīcijas pozitīvas kalorimetra gadījumā) aprēķina pēc - sistēmas masas, kalorimetra siltuma jaudas un temperatūras izmaiņu reizinājums sistēma:

Kur:

• Q = attīstītais siltums (vienāds ar absorbēto siltumu - izdalīto siltumu) džoulos (J)
• m = masa kilogramos (kg)
• c = īpatnējā siltuma jauda J / kg⋅ ° C (vai J / kg⋅K)
• ∆T = temperatūras izmaiņas ° C (vai K)

Siltums, kas izdalās no jebkuras eksotermiskas (siltumu atbrīvojošas) ķīmiskas reakcijas, kas notiek kalorimetrā, parasti izkliedētu vidē. Tas ir zaudējums, kas aprēķināts līdz izmaiņām termodinamiskajā daudzumā, kas pazīstams kā entalpija kas raksturo gan sistēmas iekšējo enerģiju, gan izmaiņas sistēmas spiediena un tilpuma attiecībās. Šis karstums tiek notverts starp šķīdinātāju un kausa vāku.
Iepriekš tika ieviesta enerģijas saglabāšanas ideja. Tā kā siltumam, kas nonāk kalorimetrā, jābūt vienādam ar siltumu, ko sistēma atbrīvo kalorimetrā, kas sastāv no reaģentiem un pašiem produktiem siltuma maiņas zīme šai sistēmai ir negatīva, un tai ir tāds pats lielums kā siltumam, ko iegūst kalorimetrs.

Iepriekš minētie un saistītie apgalvojumi pieņem, ka no kalorimetra neizplūst tikai siltums vai nenozīmīgs siltuma daudzums. Ja siltumizolācijas nav, siltums pāriet no siltākām uz vēsākām vietām, tāpēc bez pienācīgas izolācijas siltums atstās siltumu - kalorimetra komplekts apkārtējai videi, ja vien vides temperatūra nav siltāka par kalorimetrs.

Šajā diagrammā ir iekļauts dažu bieži sastopamo elementu un savienojumu īpatnējais siltums J / kg⋅ ° C.

• H₂O, ledus: 2,108
• H₂O, ūdens: 4,184
• H₂O, ūdens tvaiki: 2,062
• Metanols: 2,531
• Etanols: 2.438
• Benzols: 1.745
• Ogleklis, grafīts: 0,709
• Ogleklis, dimants: 0,509
• Alumīnijs: 0,897
• Dzelzs: 0,449
• Varš: 0,385
• Zelts: 0,129

• Dzīvsudrabs: 0,140

• Galda sāls (NaCl): 0,864

• Kvarcs: 0,742
• Kalcīts: 0,915

Ņemiet vērā, ka ūdenim ir neparasti liela siltuma jauda. Varbūt ir pretrunīgi, ka grams ūdens sasildīsies par mazāk nekā desmito daļu tikpat daudz kā grams ūdens, ņemot vērā tikpat daudz pievienotā siltuma, taču tas ir svarīgi dzīvībai ap planētu.

Ūdens veido apmēram trīs ceturtdaļas ķermeņa, ļaujot jums paciest lielas vides temperatūras svārstības. Plašāk sakot, okeāni darbojas kā siltuma rezervuāri, kas palīdz stabilizēt temperatūru visā pasaulē.

Tagad jūs esat gatavs dažiem aprēķiniem, kas saistīti ar kalorimetriem.
1. piemērs: Vispirms ņem vienkāršu gadījumu, kad gramu nātrija hidroksīda (NaOH) izšķīdina 50 ml ūdens 25 ° C temperatūrā. Pieņemiet, ka ūdens temperatūra šajā temperatūrā ir 4,184 J / kg⋅ ° C, un uzskata, ka 50 ml ūdens masa ir 50 grami vai 0,05 kg. Ja šķīduma temperatūra paaugstinās līdz 30,32 ° C, cik daudz siltuma iegūst kalorimetrs?

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

= 1,113 kJ vai 1113 J.

2. piemērs: Tagad apsveriet mājas saules enerģijas uzglabāšanas vienības gadījumu, ierīce laika gaitā kļūst arvien populārāka. Pieņemsim, ka šī ierīce siltuma enerģijas uzkrāšanai izmanto 400 L ūdens.
Skaidrā vasaras dienā sākotnējā ūdens temperatūra ir 23,0 ° C. Dienas laikā ūdens temperatūra paaugstinās līdz 39,0 ° C, cirkulējot caur vienības "ūdens sienu". Cik daudz enerģijas ir uzkrāts ūdenī?

Atkal pieņemsim, ka ūdens masa ir 400 kg, tas ir, ka ūdens blīvumu šajā temperatūras diapazonā var uzskatīt par tieši 1,0 (tas ir vienkāršojums).

Šoreiz interesējošais vienādojums ir:

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

= 26,778 J = 26,78 kJ.

Tas ir pietiekami daudz enerģijas, lai 1,5 kW enerģijas sildītāju darbinātu apmēram 17 sekundes:

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

Visticamāk, māju īpašniekiem ir paredzēta atšķirīga izmantošana, ja viņi dzīvo saules mājā.

Varat izmantot tiešsaistes kalkulatorus, kas ļauj viegli konvertēt starp īpaša siltuma vienībām, ieskaitot neparastas, bet ne pilnībā izmirušas vienības, piemēram, Btu / lb_m^oF.