Hvordan beregne varmekapasitet

Hvis du ser overflaten på en frossen dam sakte smelte på en atypisk varm vinter ettermiddag, og ser det samme oppstå på overflaten av en nærliggende frossen sølepytt i god størrelse, kan du se at isen i hver ser ut til å bli forvandlet til vann omtrent på samme måte vurdere.

Men hva om alt sollyset som faller på den eksponerte overflaten av dammen, kanskje en mål stor størrelse, samtidig var fokusert på overflaten av pytten?

Intuisjonen din forteller deg sannsynligvis at ikke bare pyttens overflate ville smelte i vann veldig raskt, men også hele pytten kan til og med bli vanndamp nesten umiddelbart, og omgå væskefasen for å bli en vassen gass. Men hvorfor, fra et fysisk-vitenskapelig synspunkt, skulle dette være?

Den samme intuisjonen forteller deg sannsynligvis at det er et forhold mellom varme, masse og temperaturendringen på is, vann eller begge deler.

Når det skjer, er dette tilfelle, og ideen strekker seg også til andre stoffer, som hver har forskjellige "motstand" mot varme, som manifesteres i forskjellige temperaturendringer som svar på en gitt mengde hvis den tilsettes varme. Disse ideene kombinerer for å tilby begrepene

Varme er en av de tilsynelatende utallige former for mengden kjent som energi i fysikk. Energi har kraftenheter ganger avstand, eller newtonmeter, men dette kalles vanligvis joule (J). I noen applikasjoner er kalorien, lik 4,18 J, standardenheten; i enda andre, btu, eller britisk temeenhet, styrer dagen.

Varme har en tendens til å "bevege seg" fra varmere til kjøligere områder, det vil si til områder der det for tiden er mindre varme. Selv om varmen ikke kan holdes eller sees, kan endringer i størrelsen måles via temperaturendringer.

Temperatur er et mål på den gjennomsnittlige kinetiske energien til et sett med molekyler, som et beger med vann eller en beholder med en gass. Tilsetning av varme øker denne molekylære kinetiske energien, og dermed temperaturen, mens den reduserer den senker temperaturen.

Hvorfor er en joule lik 4,18 kalorier? Fordi kalorien (cal), selv om den ikke er SI-enheten, kommer fra metriske enheter og er grunnleggende på en måte: Det er mengden varme nødvendig for å heve ett gram vann ved romtemperatur med 1 K eller 1 ° C. (En 1-graders endring på Kelvin-skalaen er identisk med en 1-graders endring på Celsius-skalaen; de to er imidlertid forskjøvet med ca. 273 grader, slik at 0 K = 273,15 ° C.)

• Den "kalori" på matetiketter er faktisk en kilokalori (kcal), noe som betyr at en 12-ounce boks med sukkerholdig brus inneholder omtrent 150 000 ekte kalorier.

Måten man kan bestemme slikt på ved å eksperimentere, bruke vann eller noe annet stoff, er å plassere en gitt masse av det i en beholder, tilsett en gitt mengde varme uten å la noe av stoffet eller varmen komme ut av enheten, og måle endringen i temperatur.

Siden du kjenner stoffets masse, og kan anta at varme og temperatur er jevn overalt, du kan bestemme ved enkel deling hvor mye varme som vil endre en enhetsmengde, som 1 gram, med det samme temperatur.

Varmekapasitetsformelen kommer i forskjellige former, men alle utgjør samme grunnlegning:

Q = mCΔT

Denne ligningen sier ganske enkelt at endringen i varme Q i et lukket system (væske, gass eller fast stoff materiale) er lik massen m av prøven ganger temperaturendringen ΔT ganger en parameter C kalt spesifikk varmekapasitet, eller bare spesifikk varme. Jo høyere verdi av C, jo mer varme kan et system absorbere mens den holder samme temperaturøkning.

Varmekapasitet er mengden varme som trengs for å øke temperaturen til et objekt med en viss mengde (vanligvis 1 K), så SI-enhetene er J / K. Objektet kan være ensartet, eller det kan det ikke være. Det ville være mulig å grovt bestemme varmekapasiteten til en blanding av stoffer som gjørme hvis du kjente massen og målte temperaturendringen som svar på å varme den opp i en forseglet enhet av noen sortere.

En mer nyttig mengde innen kjemi, fysikk og ingeniørfag er spesifikk varmekapasitet C, målt i varmeenheter per enhetsmasse. Spesifikke enheter for varmekapasitet er vanligvis joule per gram-kelvin, eller J / g⋅K, selv om kilo (kg) er SI-masseenheten. En grunn til at spesifikk varme er nyttig, er at hvis du har en kjent masse av et jevnt stoff og kjenner varmen kapasitet, kan du bedømme dens egnethet til å tjene som en "kjøleribbe" for å unngå brannrisiko i visse eksperimentelle situasjoner.

Vann har faktisk veldig høy varmekapasitet. Tatt i betraktning at menneskekroppen må kunne tåle tilsetning eller subtraksjon av betydelige mengder varme takket være jordens varierende forhold, vil dette være et grunnleggende krav til enhver biologisk enhet som hovedsakelig er laget av vann, som nesten alle store levebrød ting er.

Se for deg et idrettsstadion med plass til 100.000 mennesker, og et annet over hele byen med plass til 50000 mennesker. Med et øyeblikk er det klart at den absolutte "setekapasiteten" til det første stadion er dobbelt så stor som det andre. Men forestill deg også at det andre stadion er konstruert på en slik måte at det bare tar opp en fjerdedel av volumet til den første.

Hvis du gjør algebra, finner du ut at det mindre stadion faktisk har dobbelt så mange mennesker per enhet som den større, og gir den dobbelt så mye "spesifikk sete" -verdi.

I denne analogien kan du tenke på individuelle tilskuere som varmeenheter av samme størrelse som flyter inn og ut av stadion. Mens det større stadionet kan holde dobbelt så mye "varme" generelt, har det mindre stadion faktisk dobbelt kapasitet til å "lagre" denne versjonen av "varme" per enhet.

Hvis hver del av begge stadioner antas å produsere like mye søppel etter spillet når det er fullt, uavhengig av hvor mange mennesker den har, vil den mindre være dobbelt så effektiv til å redusere søppel av individuell tilskuere; tenk på dette som å være dobbelt så elastisk mot temperaturøkninger per enhet tilsatt varme.

Fra dette kan du se at hvis to objekter med samme spesifikke varme har forskjellige masser, vil den større ha større varmekapasitet med en mengde som skalerer med hvor mye mer massiv den er. Når man sammenligner objekter med forskjellige masser og forskjellige spesifikke varmer, blir situasjonen mer kompleks.

Metallkobber har en spesifikk varme på 0,386 J / g⋅K. Hvor mye varme er nødvendig for å øke temperaturen på 1 kg kobber fra 0 ° C til 100 ° C?
Q = (m) (C) (AT) = (1000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38,600 J = 38,6 kJ.

Hva er Varmekapasitet av denne mengden kobber? Du trenger 38.600 J for å heve hele massen med 100 K, så du trenger 1/100 av denne for å dytte den opp med 1 K. Dermed er varmekapasiteten til kobber i denne størrelsen 386 J.