Stel dat u een vaste hoeveelheid water in twee verschillende bekers giet. De ene beker is lang en smal, en de andere beker is lang en breed. Als de hoeveelheid water die in elke beker wordt gegoten hetzelfde is, zou je verwachten dat het waterniveau in de smalle beker hoger zou zijn.
De breedte van deze emmers is analoog aan het concept van specifieke warmtecapaciteit. In deze analogie kan het water dat in de emmers wordt gegoten worden gezien als de warmte-energie die aan twee verschillende materialen wordt toegevoegd. De niveaustijging op de emmers is analoog aan de resulterende temperatuurstijging.
Wat is specifieke warmtecapaciteit?
De soortelijke warmtecapaciteit van een materiaal is de hoeveelheid warmte-energie die nodig is om een eenheidsmassa van dat materiaal met 1 Kelvin (of graad Celsius) te verhogen. De SI-eenheden van soortelijke warmtecapaciteit zijn J/kgK (joule per kilogram × Kelvin).
De soortelijke warmte varieert afhankelijk van de fysieke eigenschappen van een materiaal. Als zodanig is het een waarde die u gewoonlijk in een tabel opzoekt. De hitte
Vraagtoegevoegd aan een materiaal van massammet specifieke warmtecapaciteitcresulteert in een temperatuurveranderingTbepaald door de volgende relatie:Q=mc\Delta T
De soortelijke warmte van water
De soortelijke warmtecapaciteit van graniet is 790 J/kgK, van lood 128 J/kgK, van glas 840 J/kgK, van koper 386 J/kgK en van water 4.186 J/kgK. Merk op hoeveel groter de soortelijke warmtecapaciteit van water is in vergelijking met de andere stoffen in de lijst. Het blijkt dat water een van de hoogste soortelijke warmtecapaciteiten heeft van alle stoffen.
Stoffen met grotere specifieke warmtecapaciteiten kunnen veel stabielere temperaturen hebben. Dat wil zeggen, hun temperaturen zullen niet zo veel fluctueren wanneer u warmte-energie toevoegt of verwijdert. (Denk terug aan de beker-analogie aan het begin van dit artikel. Als je dezelfde hoeveelheid vloeistof toevoegt en aftrekt aan de brede en de smalle beker, verandert het niveau veel minder in de brede beker.)
Daarom hebben kustplaatsen een veel gematigder klimaat dan steden in het binnenland. Omdat ze dicht bij zo'n grote hoeveelheid water zijn, stabiliseert hun temperatuur.
De grote soortelijke warmtecapaciteit van water is ook de reden waarom, wanneer je een pizza uit de oven haalt, de saus je nog zal verbranden, zelfs nadat de korst is afgekoeld. De waterhoudende saus moet veel meer warmte-energie afgeven voordat hij in temperatuur kan dalen ten opzichte van de korst.
Voorbeeld van specifieke warmtecapaciteit
Stel dat er 10.000 J warmte-energie wordt toegevoegd aan 1 kg zand (czo = 840 J/kgK) aanvankelijk bij 20 graden Celsius, terwijl dezelfde hoeveelheid warmte-energie wordt toegevoegd aan een mengsel van 0,5 kg zand en 0,5 kg water, ook aanvankelijk bij 20 C. Hoe verhoudt de eindtemperatuur van het zand zich tot de eindtemperatuur van het zand/watermengsel?
Oplossing:Los eerst de warmteformule op voorTverkrijgen:
\Delta T=\frac{Q}{mc}
Voor het zand krijg je dan de volgende temperatuurverandering:
\Delta T=\frac{10,000}{1\times 840}=11.9 \text{ graden}
Wat een eindtemperatuur geeft van 31,9 C.
Voor het mengsel van zand en water is het iets ingewikkelder. Je kunt de warmte-energie niet zomaar gelijk verdelen over water en zand. Ze zijn met elkaar vermengd, dus ze moeten dezelfde temperatuurverandering ondergaan.
Hoewel u de totale warmte-energie kent, weet u in het begin niet hoeveel ze allemaal krijgen. LaatVraagzode hoeveelheid energie uit warmte zijn die het zand krijgt enVraagmet wiede hoeveelheid energie die het water krijgt. Gebruik nu het feit dat factQ = Vraagzo + Qmet wieom het volgende te krijgen:
Q=Q_s+Q_w=m_sc_s\Delta T+m_wc_w\Delta T=(m_sc_s+m_wc_w)\Delta T
Nu is het eenvoudig op te lossen voorT:
\Delta T = \frac{Q}{m_sc_s+m_wc_w}
Cijfers inpluggen geeft dan:
\Delta T = \frac{10,000}{0.5\times 840+0.5\times 4.186} = 4 \text{ graden}
Het mengsel stijgt slechts met 4 C, voor een eindtemperatuur van 24 C, aanzienlijk lager dan het zuivere zand!