Dacă priviți suprafața unui iaz înghețat, se topește încet într-o după-amiază de iarnă atipic caldă și urmăriți același lucru suprafața unei bălți înghețate de dimensiuni bune din apropiere, s-ar putea să observați că gheața din fiecare pare să fie transformată în apă cam la fel rată.
Dar ce se întâmplă dacă toată lumina soarelui care cade pe suprafața expusă a iazului, poate un acru ca dimensiune, ar fi concentrată simultan pe suprafața bălții?
Intuiția ta probabil îți spune că nu numai că suprafața bălții se va topi în apă foarte repede, ci întreaga baltă ar putea chiar să devină vapori de apă aproape instantanee, ocolind faza lichidă pentru a deveni o apă gaz. Dar de ce, din punct de vedere al științelor fizice, ar trebui să fie acest lucru?
Aceeași intuiție probabil vă spune că există o relație între căldură, masă și schimbarea temperaturii gheții, apei sau ambelor.
Așa se întâmplă, acesta este cazul și ideea se extinde și la alte substanțe, fiecare dintre ele având diferite „rezistențe” la căldură, care se manifestă în diferite schimbări de temperatură ca răspuns la o cantitate dată dacă se adaugă căldură. Aceste idei se combină pentru a oferi conceptele de
căldura specifică și capacitate termică.Ce este căldura în fizică?
Căldura este una dintre formele aparent nenumărate ale cantității cunoscute sub numele de energie în fizică. Energia are unități de forță ori distanță sau newton-metri, dar aceasta se numește de obicei joule (J). În unele aplicații, caloria, egală cu 4,18 J, este unitatea standard; în altele, btu, sau unitatea tematică britanică, guvernează ziua.
Căldura tinde să se „deplaseze” de la zone mai calde la zone mai reci, adică în regiuni în care în prezent există mai puțină căldură. În timp ce căldura nu poate fi reținută sau văzută, schimbările de magnitudine pot fi măsurate prin schimbări de temperatură.
Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a unui set de molecule, precum un pahar de apă sau un recipient de gaz. Adăugarea căldurii crește această energie cinetică moleculară și, prin urmare, temperatura, în timp ce o reduce, scade temperatura.
Ce este calorimetria?
De ce un joule este egal cu 4,18 calorii? Deoarece caloria (cal), deși nu este unitatea SI de căldură, este derivată din unități metrice și este fundamentală într-un fel: cantitatea de căldură necesar pentru a crește un gram de apă la temperatura camerei cu 1 K sau 1 ° C. (O modificare de 1 grad pe scara Kelvin este identică cu o modificare de 1 grad pe scara Celsius; cu toate acestea, cele două sunt compensate cu aproximativ 273 de grade, astfel încât 0 K = 273,15 ° C.)
- „Caloria” de pe etichetele alimentelor este de fapt o kilocalorie (kcal), ceea ce înseamnă că o cutie de 12 uncii de sifon zahăr conține aproximativ 150.000 de calorii adevărate.
Modul în care se poate determina așa ceva prin experimentare, folosind apă sau altă substanță, este de a plasa o anumită masă a acestuia într-un recipient, adăugați o cantitate dată de căldură fără a permite ca substanța sau căldura să scape din ansamblu și măsurați schimbarea temperatura.
Deoarece cunoașteți masa substanței și puteți presupune că căldura și temperatura sunt uniforme pe tot parcursul, voi poate determina prin simpla împărțire cât de multă căldură ar schimba o cantitate unitară, cum ar fi 1 gram, cu aceeași cantitate temperatura.
A fost explicată ecuația capacității de căldură
Formula capacității de căldură vine sub diferite forme, dar toate se ridică la aceeași ecuație de bază:
Q = mCΔT
Această ecuație afirmă pur și simplu că schimbarea căldurii Q a unui sistem închis (un lichid, gaz sau solid material) este egală cu masa m a eșantionului de ori schimbarea temperaturii ΔT de un parametru C numit capacitate termică specifică, sau doar căldura specifică. Cu cât valoarea C este mai mare, cu atât un sistem poate absorbi mai multă căldură, menținând aceeași creștere a temperaturii.
Ce este capacitatea specifică de căldură?
Capacitatea de căldură este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui obiect cu o anumită cantitate (de obicei 1 K), deci unitățile SI sunt J / K. Obiectul poate fi uniform sau poate să nu fie. Ar fi posibil să determinați aproximativ capacitatea de căldură a unui amestec de substanțe, cum ar fi noroiul, dacă sunteți i-a cunoscut masa și i-a măsurat schimbarea de temperatură ca răspuns la încălzirea ei într-un dispozitiv sigilat al unora fel.
O cantitate mai utilă în chimie, fizică și inginerie este capacitate termică specifică C, măsurată în unități de căldură pe unitate de masă. Unitățile specifice de capacitate termică sunt de obicei jouli pe gram-kelvin sau J / g⋅K, chiar dacă kilogramul (kg) este unitatea de masă SI. Un motiv pentru care căldura specifică este utilă este că, dacă aveți o masă cunoscută a unei substanțe uniforme și cunoașteți căldura acesteia capacitatea, puteți judeca capacitatea sa de a servi ca „radiator” pentru a evita riscurile de incendiu în anumite experimente situații.
Apa are de fapt o capacitate termică foarte mare. Având în vedere că corpul uman trebuie să fie capabil să tolereze adăugarea sau scăderea unor cantități semnificative de căldură datorită Pământului în condiții diferite, aceasta ar fi o cerință de bază a oricărei entități biologice care este formată în mare parte din apă, ca aproape toate viețile considerabile lucrurile sunt.
Capacitate termică vs. Căldura specifică
Imaginați-vă un stadion sportiv care poate găzdui 100.000 de oameni și un altul din oraș care poate găzdui 50.000 de oameni. Dintr-o privire, este clar că „capacitatea de scaun” absolută a primului stadion este de două ori mai mare decât a celui de-al doilea stadion. Dar imaginați-vă, de asemenea, că al doilea stadion este construit în așa fel încât să ocupe doar sfert a volumului primului.
Dacă faci algebra, vei descoperi că stadionul mai mic are de fapt loc de două ori mai mulți oameni pe unitate de spațiu ca cea mai mare, oferindu-i de două ori valoarea „scaunului specific”.
În această analogie, gândiți-vă la spectatorii individuali ca la unități de căldură de aceeași magnitudine, care curg în și din stadion. În timp ce stadionul mai mare poate deține de două ori mai mult „căldură” în general, stadionul mai mic are de fapt capacitatea de a „stoca” această versiune de „căldură” pe unitate de spațiu.
Dacă se presupune că fiecare secțiune de aceeași dimensiune a ambelor stadioane produce aceeași cantitate de gunoi post-joc atunci când este plină, indiferent de câte persoane deține, atunci cel mai mic va fi de două ori mai eficient în reducerea gunoiului de individual spectatori; gândiți-vă că este de două ori mai rezistent la creșterile de temperatură pe unitate de căldură adăugată.
Din aceasta, puteți vedea că, dacă două obiecte cu aceeași căldură specifică au mase diferite, cel mai mare va avea o capacitate de căldură mai mare cu o cantitate care se potrivește cu cât este mai masivă. Atunci când se compară obiecte de diferite mase și diferite călduri specifice, situația devine mai complexă.
Exemplu specific de calcul al capacității termice
Cuprul metalic are o căldură specifică de 0,386 J / g⋅K. Câtă căldură este necesară pentru a crește temperatura de 1 kg (1.000 g) de cupru de la 0 ° C la 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1.000 g) (0.386 J / g⋅K) (100 K) = 38.600 J = 38.6 kJ.
Ce este capacitate termică din această bucată de cupru? Ai nevoie de 38.600 J pentru a crește întreaga masă cu 100 K, deci ai avea nevoie de 1/100 din aceasta pentru a o împinge cu 1 K. Astfel, capacitatea termică a cuprului în această dimensiune este de 386 J.