Ce este capacitatea de căldură?

Capacitatea de căldură este un termen din fizică care descrie cantitatea de căldură care trebuie adăugată unei substanțe pentru a-și crește temperatura cu 1 grad Celsius. Acest lucru este legat de, dar distinct de, căldura specifică, care este cantitatea de căldură necesară pentru a crește exact 1 gram (sau o altă unitate fixă ​​de masă) dintr-o substanță cu 1 grad Celsius. Derivarea capacității de căldură a unei substanțe C din căldura sa specifică S este o chestiune de înmulțire cu cantitatea substanței prezente și asigurându-vă că utilizați aceleași unități de masă pe tot parcursul problemă. Capacitatea de căldură, în termeni simpli, este un indice al capacității unui obiect de a rezista la încălzirea prin adăugarea de energie termică.

Materia poate exista ca un solid, un lichid sau un gaz. În cazul gazelor, capacitatea de căldură poate depinde atât de presiunea ambiantă, cât și de temperatura ambiantă. Oamenii de știință își doresc adesea să cunoască capacitatea de căldură a unui gaz la o presiune constantă, în timp ce alte variabile precum temperatura sunt permise să se schimbe; aceasta este cunoscută sub numele de C

Înainte de a începe o discuție despre capacitatea de căldură și căldura specifică, este util să înțelegem mai întâi elementele de bază ale transferului de căldură în fizică și conceptul de căldură în general și familiarizați-vă cu unele dintre ecuațiile fundamentale ale disciplinei.

Termodinamica este ramura fizicii care se ocupă cu munca și energia unui sistem. Munca, energia și căldura au toate aceleași unități în fizică, în ciuda faptului că au semnificații și aplicații diferite. Unitatea de căldură SI (standard internațional) este joul. Munca este definită ca forță înmulțită cu distanța, astfel încât, cu un ochi pe unitățile SI pentru fiecare dintre aceste cantități, un joule este același lucru cu un newton-metru. Alte unități pe care este probabil să le întâlniți pentru căldură includ caloriile (cal), unitățile termice britanice (btu) și ergul. (Rețineți că „caloriile” pe care le vedeți pe etichetele nutriționale alimentare sunt de fapt kilocalorii, „kilo-” fiind prefixul grecesc care denotă „o mie”; astfel, atunci când observați că, să zicem, o cutie de sodiu de 12 uncii include 120 de "calorii", aceasta este de fapt egală cu 120.000 de calorii în termeni fizici formali.)

Gazele se comportă diferit de lichide și solide. Prin urmare, fizicienii din lumea aerodinamicii și disciplinele conexe, care sunt în mod natural foarte preocupați de comportamentul aerului și al altor gaze în activitatea lor cu motoare de mare viteză și mașini zburătoare, au îngrijorări speciale cu privire la capacitatea de căldură și la alți parametri fizici cuantificabili legați de materie stat. Un exemplu este entalpia, care este o măsură a căldurii interne a unui sistem închis. Este suma energiei sistemului plus produsul presiunii și volumului său:

H = E + PV

Mai precis, modificarea entalpiei este legată de modificarea volumului de gaz prin relația:

∆H = E + P∆V

Simbolul grecesc ∆, sau delta, înseamnă „schimbare” sau „diferență” prin convenție în fizică și matematică. În plus, puteți verifica dacă presiunea ori volumul dă unități de lucru; presiunea se măsoară în newtoni / m², în timp ce volumul poate fi exprimat în m³.

De asemenea, presiunea și volumul unui gaz sunt legate de ecuația:

P∆V = R∆T

unde T este temperatura și R este o constantă care are o valoare diferită pentru fiecare gaz.

Nu trebuie să trimiteți aceste ecuații în memorie, dar acestea vor fi revizuite în discuția ulterioară despre C_p și C_v.

După cum sa menționat, capacitatea de căldură și căldura specifică sunt cantități conexe. Primul apare de fapt din al doilea. Căldura specifică este o variabilă de stare, ceea ce înseamnă că se referă numai la proprietățile intrinseci ale unei substanțe și nu la cât de mult este prezent. Prin urmare, este exprimată ca căldură pe unitate de masă. Capacitatea de căldură, pe de altă parte, depinde de cantitatea de substanță în cauză care suferă un transfer de căldură și nu este o variabilă de stare.

Toată materia are o temperatură asociată cu aceasta. Este posibil să nu fie primul lucru care îți vine în minte atunci când observi un obiect („Mă întreb cât de caldă este acea carte?”), Dar pe parcurs, s-ar putea să ai au aflat că oamenii de știință nu au reușit niciodată să atingă o temperatură de zero absolut în nicio condiție, deși au ajuns agonizant închide. (Motivul pentru care oamenii își propun să facă așa ceva are legătură cu proprietățile de conductivitate extrem de ridicate ale materialelor extrem de reci; gândiți-vă doar la valoarea unui conductor fizic de energie electrică fără practic rezistență.) Temperatura este o măsură a mișcării moleculelor. În materialele solide, materia este aranjată într-o rețea sau rețea, iar moleculele nu sunt libere să se miște. Într-un lichid, moleculele sunt mai libere să se miște, dar sunt încă constrânse într-o mare măsură. Într-un gaz, moleculele se pot deplasa foarte liber. În orice caz, nu uitați că temperatura scăzută implică puțină mișcare moleculară.

Când doriți să mutați un obiect, inclusiv dvs., dintr-o locație fizică în alta, trebuie să cheltuiți energie - sau, alternativ, să faceți treabă - pentru a face acest lucru. Trebuie să te ridici și să mergi printr-o cameră sau trebuie să apeși pedala de accelerație a unei mașini pentru a forța combustibilul prin motorul ei și a obliga mașina să se miște. În mod similar, la un nivel micro, este necesară o intrare de energie într-un sistem pentru a-i face să se miște moleculele. Dacă acest aport de energie este suficient pentru a provoca o creștere a mișcării moleculare, atunci pe baza discuției de mai sus, acest lucru implică în mod necesar că și temperatura substanței crește.

Diferite substanțe comune au valori variabile ale căldurii specifice. Dintre metale, de exemplu, aurul se înregistrează la 0,129 J / g ° C, ceea ce înseamnă că 0,122 jouli de căldură sunt suficienți pentru a crește temperatura de 1 gram de aur cu 1 grad Celsius. Amintiți-vă, această valoare nu se modifică în funcție de cantitatea de aur prezentă, deoarece masa este deja contabilizată în numitorul unităților de căldură specifice. Nu este cazul capacității de căldură, așa cum veți descoperi în curând.

Surprinde mulți studenți ai fizicii introductive că căldura specifică a apei, 4.179, este considerabil mai mare decât cea a metalelor obișnuite. (În acest articol, toate valorile căldurii specifice sunt date în J / g ° C.) De asemenea, capacitatea de căldură a gheții, 2,03, este mai mică de jumătate din cea a apei, chiar dacă ambele constau din H₂O. Acest lucru arată că starea unui compus și nu doar compoziția sa moleculară influențează valoarea căldurii sale specifice.

În orice caz, spuneți că vi se cere să determinați cât de multă căldură este necesară pentru a crește temperatura de 150 g de fier (care are o căldură specifică sau S, de 0,450) cu 5 C. Cum ai face asta?

Calculul este foarte simplu; înmulțiți căldura specifică S cu cantitatea de material și modificarea temperaturii. Deoarece S = 0,450 J / g ° C, cantitatea de căldură care trebuie adăugată în J este (0,450) (g) (∆T) = (0,450) (150) (5) = 337,5 J. Un alt mod de a exprima acest lucru este să spunem că capacitatea de căldură a 150 g de fier este de 67,5 J, ceea ce nu este altceva decât căldura specifică S multiplicată cu masa substanței prezente. Evident, chiar dacă capacitatea de căldură a apei lichide este constantă la o anumită temperatură, ar fi nevoie de mult mai multă căldură încălziți unul dintre marile lacuri chiar și cu o zecime de grad decât ar fi nevoie pentru a încălzi o halbă de apă cu 1 grad sau 10 sau chiar 50.

Într-o secțiune anterioară, ați fost introdus la ideea capacităților de căldură contingente pentru gaze - adică a valorilor capacității de căldură care se aplică unei substanțe date în condiții în care fie temperatura (T), fie presiunea (P) sunt menținute constante pe tot parcursul problemă. Vi s-au dat și ecuațiile de bază ∆H = E + P∆V și P∆V = R∆T.

Puteți vedea din aceste două ecuații că un alt mod de a exprima schimbarea în entalpie, ∆H, este:

E + R∆T

Deși nu este prevăzută nicio derivare aici, o modalitate de a exprima prima lege a termodinamicii, care se aplică sisteme închise și pe care este posibil să le fi auzit afirmând în mod colocvial că „Energia nu este nici creată, nici distrusă” este:

∆E = C_v∆T

În limbaj simplu, aceasta înseamnă că atunci când o anumită cantitate de energie este adăugată la un sistem care include un gaz, iar volumul gazului respectiv nu este permis să se modifice (indicat de indicele V în C_v), temperatura sa trebuie să crească direct proporțional cu valoarea capacității termice a gazului respectiv.

O altă relație există între aceste variabile care permite derivarea capacității de căldură la presiune constantă, C_p, mai degrabă decât un volum constant. Această relație este un alt mod de a descrie entalpia:

∆H = C_p∆T

Dacă sunteți abil la algebră, puteți ajunge la o relație critică între C_v și C_p:

C_p = C_v + R

Adică, capacitatea de căldură a unui gaz la presiune constantă este mai mare decât capacitatea sa de căldură la volum constant cu o constantă R care este legată de proprietățile specifice ale gazului supus controlului. Acest lucru are sens intuitiv; dacă vă imaginați că unui gaz i se permite să se extindă ca răspuns la creșterea presiunii interne, probabil puteți percepe că va trebui să se încălzească mai puțin ca răspuns la o adăugare dată de energie decât dacă ar fi limitată la aceeași spaţiu.

În cele din urmă, puteți utiliza toate aceste informații pentru a defini o altă variabilă specifică substanței, γ, care este raportul dintre C_p la C_vsau C_p/ C_v. Puteți vedea din ecuația anterioară că acest raport crește pentru gazele cu valori mai mari de R.

C_p și C_v de aer sunt ambele importante în studiul dinamicii fluidelor, deoarece aerul (format dintr-un amestec de azot și oxigen) este cel mai comun gaz pe care îl experimentează oamenii. Ambele C_p și C_v sunt dependente de temperatură și nu exact în aceeași măsură; așa cum se întâmplă, C_v crește ușor mai repede odată cu creșterea temperaturii. Aceasta înseamnă că „constantă” γ nu este de fapt constantă, dar este surprinzător de aproape într-o gamă de temperaturi probabile. De exemplu, la 300 de grade Kelvin sau K (egal cu 27 C), valoarea lui γ este de 1.400; la o temperatură de 400 K, care este de 127 C și considerabil peste punctul de fierbere al apei, valoarea γ este de 1,395.