Как рассчитать тепло, выделяемое калориметром

В какой-то момент своей жизни вы, наверное, задавались вопросом, что за калорийность после просмотра этикетки с информацией о питании для данного продукта. Кроме того, что многие люди любят видеть меньшие числа при сканировании таких этикеток, что такое калория?

А как «калории» добавляют массу живым системам, если это действительно так? И как вы можете быть уверены, что количество калорий, указанное для данного продукта - будь то значение обнадеживающего или удручающего - было точно определено?

Нагревать - одно из многих свойств окружающего мира, которое вы, вероятно, можете хорошо описать несколькими хорошо подобранными словами, но оно имеет более конкретное значение в физических науках. Калорийность - это мера тепла, так же как и джоуль (Дж) и британская тепловая единица (BTU). Изучение теплообмена - это раздел физической науки, известный как калориметрия, который, в свою очередь, использует устройства, называемые калориметры.

Интуитивно вам может показаться странным, что охлажденные или замороженные продукты, такие как мороженое и чизкейк, могут вместить в небольшую порцию много того, что предположительно является горячим. Кроме того, если калории каким-то образом превращаются в тепло, не должны ли продукты, которые содержат их больше, на самом деле приводить к весу?

Это хорошие вопросы, и после того, как вы прочтете оставшуюся часть этой статьи, вы получите эти и многое другое, чтобы перенести их в следующую калориметрическую лабораторию или обсудить спортивное питание.

Тепло можно рассматривать главным образом как термальная энергия. Как и другие формы энергии, у него есть единицы джоули (или эквивалент в единицах, не относящихся к системе СИ). Теплота - это неуловимая величина, поскольку ее трудно измерить напрямую. Вместо этого можно использовать изменения температуры в контролируемых экспериментальных условиях, чтобы определить, получила ли система или потеряла тепло.

Тот факт, что тепло рассматривается как энергия, означает, что его отслеживание - математически простое упражнение, даже если эксперименты иногда затрудняют создание условий, при которых тепловая энергия не уходит и не ускользает от измерения. Но из-за фундаментальных реалий, таких как закон сохранения энергии, Таблицы тепла в принципе довольно просты.

Материалы имеют разные уровни устойчивости к изменению температуры, когда определенное количество тепла добавляется к фиксированному количеству этого вещества. То есть, если вы взяли 1 килограмм вещества A и 1 килограмм вещества B и добавили одинаковое количество тепла к каждому из них, при этом не было разрешено теплоотводить ни один из них. система, температура A может повыситься всего на одну пятую от температуры вещества B.

Это означало бы, что вещество А имеет удельная теплоемкость в пять раз больше, чем у вещества А, и эта концепция будет подробно рассмотрена ниже.

«Калорийность», указанная на этикетках пищевых продуктов, на самом деле является килокалорией или ккал. Так что на самом деле типичная банка сладкой газировки содержит около 120 000 калорий, условно выраженных в калориях в повседневном общении.

• Калорийность это латинское слово, вполне подходящее для обозначения тепла.

Калорийность эквивалентна примерно 4,184 Дж, что означает, что ккал, рассматриваемый как калория на этикетках продуктов питания, равен 4,184 Дж или 4,184 кДж. Скорость расхода энергии (джоулей в секунду) в физической науке называется мощностью, а единицей СИ является ватт (Вт), равный 1 Дж / с. Таким образом, одного ккал достаточно для питания системы, работающей от 0,35 до 0,4 кВт (350 Дж / с) в течение примерно 12 секунд:

P = E / t, поэтому t = E / P = 4,186 кДж / (0,35 кДж / с) = 12,0.

• Тренированный спортсмен на выносливость, такой как велосипедист или бегун, способен поддерживать такую ​​мощность в течение продолжительных периодов времени. Теоретически, 100-калорийный (100-ккал) энергетический напиток может удерживать олимпийского велосипедиста или марафонца примерно 100 раз по 12 секунд или 20 минут. Поскольку человеческая система не является почти на 100% механически эффективной, ей фактически требуется более 300 ккал, чтобы работать на почти полной аэробной мощности в течение этого времени.
  

В калорийность определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Одна из проблем заключается в том, что существует небольшое изменение c воды в зависимости от температуры во всем диапазоне температур, при котором H₂О - жидкость. «Удельная» в «удельной теплоемкости» относится не только к конкретным материалам, но и к определенной температуре.

• Плотность большинства материалов составляет 20

  ° C или 25 ° C.

Технически термины «теплоемкость» и «удельная теплоемкость» означают разные вещи, даже если вы можете видеть их взаимозаменяемыми в менее строгих источниках.

Теплоемкость, когда первоначально была придумана, относилась просто к количеству тепла, необходимому для нагревания всего объекта (который может быть сделан из нескольких материалов) на заданное количество. Удельная теплоемкость означает количество тепла, необходимое для повышения температуры на 1 грамм. из конкретного материала на 1 градус Цельсия или Кельвина (° C или K).

• Хотя шкалы температуры Цельсия и Кельвина не совпадают, они различаются на фиксированную величину, так как ° C + 273 = K, где K не может быть отрицательным. Это означает, что данное числовое изменение температуры в одной шкале вызывает такую ​​же величину изменения в другой, в отличие от случая взаимного преобразования Фаренгейта-Цельсия.

Вместо того, чтобы сокращать «удельную теплоемкость» до «теплоемкость», используйте термин удельная теплоемкость, как это принято в авторитетных источниках.

Цель калориметр заключается в улавливании тепла, выделяемого в каком-либо процессе, например экзотермической химической реакции, которое в противном случае было бы потеряно для окружающей среды. Когда изменение температуры системы, а также масса и удельная теплоемкость калориметрического узла известны, можно определить количество тепла, поступающего в систему в процессе. Примеры приведены в следующем разделе.

Калориметр может быть изготовлен из ряда различных материалов при условии, что они будут изолирующими (т.е. не допускающими теплопередачи; этот термин также используется в электромагнетизме для обозначения сопротивления переносу электрического заряда).

Одна распространенная версия может быть сделана из чашки из пенополистирола и хорошо сидящей крышки. В этом калориметре кофейной чашки в качестве растворителя обычно используется вода, а термометр и (при необходимости) палочка для перемешивания плотно вставляются через небольшие отверстия в крышке чашки.

Изменение теплоты замкнутой системы (положительное по определению в случае калориметра) определяется выражением произведение массы системы, теплоемкости калориметра и изменения температуры система:

Где:

• Q = выделенное тепло (равно поглощенному - выделенному теплу) в джоулях (Дж)
• m = масса в килограммах (кг)
• c = удельная теплоемкость в Дж / кг⋅ ° C (или Дж / кг⋅K)
• ∆T = изменение температуры в ° C (или K)

Тепло, которое выделяется в результате любой экзотермической (выделяющей тепло) химической реакции, происходящей в калориметре, обычно рассеивается в окружающей среде. Это потеря, связанная с изменением термодинамической величины, известной как энтальпия который описывает как внутреннюю энергию системы, так и изменения в соотношении давление-объем в системе. Вместо этого это тепло удерживается между растворителем и крышкой чашки.
Ранее была введена идея сохранения энергии. Поскольку тепло, поступающее в калориметр, должно равняться теплу, выделяемому системой внутри калориметра, состоящего из реагентов и для самих продуктов знак изменения тепла для этой системы отрицательный и имеет ту же величину, что и тепло, получаемое калориметр.

Приведенные выше и связанные утверждения предполагают, что из калориметра не выходит только тепло или незначительное количество тепла. Когда теплоизоляция отсутствует, тепло перемещается из более теплых мест в более прохладные, поэтому без надлежащей изоляции тепло будет покидать узел калориметра для окружающей среды, если температура окружающей среды не выше, чем у калориметр.

Следующая таблица включает удельную теплоемкость в Дж / кг⋅ ° C некоторых часто встречающихся элементов и соединений.

• ЧАС₂О, лед: 2.108
• ЧАС₂О, вода: 4,184
• ЧАС₂O, водяной пар: 2,062
• Метанол: 2,531
• Этанол: 2,438
• Бензол: 1,745
• Углерод, графит: 0,709
• Углерод, алмаз: 0,509
• Алюминий: 0,897
• Железо: 0,449
• Медь: 0,385
• Золото: 0,129

• Меркурий: 0,140

• Поваренная соль (NaCl): 0,864

• Кварц: 0,742
• Кальцит: 0,915

Учтите, что вода имеет необычно большую теплоемкость. Возможно, это нелогично, что грамм воды нагревается менее чем на одну десятую от грамма воды, учитывая такое же количество добавленного тепла, но это важно для жизни на всей планете.

Вода составляет около трех четвертей вашего тела, что позволяет вам переносить большие колебания температуры окружающей среды. В более широком смысле океаны действуют как резервуары тепла, помогая стабилизировать температуру во всем мире.

Теперь вы готовы к некоторым расчетам с использованием калориметров.
Пример 1: Во-первых, возьмем простой случай растворения грамма гидроксида натрия (NaOH) в 50 мл воды при 25 ° C. Возьмем теплоемкость воды при этой температуре равной 4,184 Дж / кг⋅ ° C и примите во внимание, что 50 мл воды имеют массу 50 грамм или 0,05 кг. Если температура раствора повышается до 30,32 ° C, сколько тепла набирает калориметр?

У вас Q = mc∆T = (0,05 кг) (4,184 кДж / кг⋅ ° C) (30,32 - 5,32 ° C)

= 1,113 кДж или 1,113 Дж.

Пример 2: Теперь рассмотрим случай домашнего накопителя солнечной энергии, устройство, которое со временем становится все более популярным. Предположим, это устройство использует 400 л воды для хранения тепловой энергии.
В ясный летний день начальная температура воды 23,0 ° C. В течение дня температура воды повышается до 39,0 ° C, поскольку она циркулирует через «водяную стену» устройства. Сколько энергии накоплено в воде?

Снова предположим, что масса воды составляет 400 кг, то есть плотность воды можно считать равной точно 1,0 в этом температурном диапазоне (это упрощение).

На этот раз представляющее интерес уравнение:

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

= 26,778 Дж = 26,78 кДж.

Этой энергии достаточно, чтобы запитать обогреватель мощностью 1,5 кВт примерно на 17 секунд:

(26,78 кДж) (кВт / (кДж / с) / (1,5 кВт) = 17,85 с

Скорее всего, домовладельцы планируют его другое использование, если они живут в солнечном доме.

Вы можете использовать онлайн-калькуляторы, которые позволяют легко переводить единицы удельной теплоемкости, включая необычные, но не полностью исчезнувшие единицы, такие как британские тепловые единицы / фунт._м^оФ.