Ako vypočítať teplo získané kalorimetrom

V určitom období svojho života ste si pravdepodobne položili otázku, čo a kalórie je po prezeraní štítku s výživovými informáciami pre danú potravinu. Okrem toho, čo mnohí radi vidia nižšie počty spojené s skenovaním takýchto štítkov, čo je to kalória?

A ako „kalórie“ dodajú živým systémom hmotu, ak sa tak stane v skutočnosti? A ako si môžete byť istí, že počet kalórií uvedených pre danú položku - či už je to upokojujúca alebo depresívna hodnota - bol presne stanovený?

Zahrejte je jednou z mnohých vlastností okolitého sveta, ktorú pravdepodobne môžete dobre opísať niekoľkými vlastnými dobre vybranými slovami, ale vo fyzikálnych vedách má sústredenejší význam. Kalória je mierou tepla, rovnako ako joule (J) a britská tepelná jednotka (btu). Štúdium výmeny tepla je odvetvie fyzikálnych vied známe ako kalorimetria, ktorá sa zase spolieha na zariadenia s názvom kalorimetre.

Intuitívne vám môže pripadať zvláštne, že chladené alebo mrazené jedlá, ako je zmrzlina a tvarohový koláč, môžu na malú porciu zabaliť veľa z toho, čo sa údajne ohrieva. Ak sa kalórie nejako premenia na teplo, nemalo by to, že potraviny, ktoré ich dodávajú viac, skutočne viesť k hmotnosti

Sú to dobré otázky a potom, čo sa „spálite“ v zvyšku tohto článku, budete mať tieto odpovede a ešte oveľa viac, ktoré si môžete vziať do ďalšieho laboratória kalorimetrie alebo diskusie o športovej výžive.

Teplo sa dá považovať hlavne za termálna energia. Rovnako ako iné formy energie má jednotky joulov (alebo ekvivalent v jednotkách iných ako SI). Teplo je nepolapiteľné množstvo v tom, že je ťažké ho priamo merať. Namiesto toho je možné použiť zmeny teploty za kontrolovaných experimentálnych podmienok na zistenie, či systém získal alebo stratil teplo.

Skutočnosť, že s teplom sa zaobchádza ako s energiou, znamená, že jeho sledovanie je matematicky priamou úlohou ak experimenty niekedy sťažujú vytvorenie podmienok, v ktorých neuniká žiadna tepelná energia, a uniká meraniu. Ale kvôli zásadným realitám, ako je zákon zachovania energie, tepelná tabuľka je v zásade dosť jednoduchá.

Materiály majú rôznu úroveň odolnosti proti zmenám teplôt, keď sa dané množstvo tepla pridá k pevnému množstvu tejto látky. To znamená, že ak ste užili 1 kilogram látky A a 1 kilogram látky B a pridali ste každému rovnaké množstvo tepla, bez toho, aby bolo dovolené opustiť buď systém, teplota A sa môže zvýšiť iba o jednu pätinu toľko, ako sa zvýši teplota látky B.

To by znamenalo, že látka A má a špecifické teplo päťkrát vyššia ako v prípade látky A, koncept je potrebné podrobne preskúmať nižšie.

„Kalória“ uvedená na výživových štítkoch je v skutočnosti kilokalória alebo kcal. Takže v skutočnosti má typická plechovka pocukrovanej sódy asi 120 000 kalórií, čo je v každodennej komunikácii vyjadrené konvenciou ako kalória.

• Calor je latinské slovo pre, primerane, teplo.

Kalória je ekvivalentná asi 4,184 J, čo znamená, že kcal považovaný na štítku s potravinami za kalóriu je 4 184 J alebo 4 184 kJ. Rýchlosť energetického výdaja (jou za sekundu) sa vo fyzikálnych vedách nazýva výkon a jednotkou SI je watt (W), ktorá sa rovná 1 J / s. Jeden kcal je teda dostatočné množstvo energie na napájanie systému hučiaceho pri 0,35 až 0,4 kW (350 J / s) po dobu asi 12 sekúnd:

P = E / t, takže t = E / P = 4,186 kJ / (0,35 kJ / s) = 12,0.

• Vyškolený vytrvalostný športovec, ako je cyklista alebo bežec, je schopný udržať takýto výstupný výkon po dlhšiu dobu. Teoreticky by potom 100-kalorický (100 kcal) energetický nápoj mohol udržať olympijského cestného cyklistu alebo maratónca v chode asi 100-krát 12 sekúnd alebo 20 minút. Pretože ľudský systém nie je takmer stopercentne mechanicky efektívny, vyžaduje skutočne viac ako 300 kcal, aby mohol pracovať tak dlho pri takmer plnej aeróbnej kapacite.
  

The kalórie je definované ako množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty 1 gramu vody o 1 stupeň Celzia. Jedným z problémov je, že existuje mierna variácia c vody s teplotou v rozmedzí teplôt, pri ktorých H₂O je kvapalina. „Špecifický“ v „špecifickom teple“ sa vzťahuje nielen na konkrétne materiály, ale aj na konkrétnu teplotu.

• Špecifické horúčavy väčšiny materiálov sú uvedené pri 20 ° C

  ° C alebo 25 ° C.

Odborne povedané, termíny „tepelná kapacita“ a „špecifická tepelná kapacita“ znamenajú rôzne veci, aj keď môžete vidieť, že sa tieto termíny používajú zameniteľné v menej prísnych zdrojoch.

Keď bola tepelná kapacita pôvodne vytvorená, označovala sa jednoducho ako množstvo tepla potrebné na zahriatie celého objektu (ktorý môže byť vyrobený z viacerých materiálov) o dané množstvo. Špecifická tepelná kapacita sa vzťahuje na množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty o 1 gram konkrétneho materiálu o 1 stupeň Celzia alebo Kelvin (° C alebo K).

• Aj keď teplotné stupnice Celzia a Kelvina nie sú rovnaké, líšia sa pevnou mierou, keďže ° C + 273 = K, kde K nemôže byť záporná. To znamená, že daná numerická zmena teploty v jednej stupnici produkuje rovnakú veľkosť zmeny v druhej stupnici, na rozdiel od prípadov konverzií vo stupňoch Fahrenheita a Celzia.

Namiesto skrátenia „špecifickej tepelnej kapacity“ na „tepelná kapacita“ radšej použite výraz špecifické teplo, ako je dohovor v renomovaných zdrojoch.

Účelom a kalorimeter je zachytiť teplo uvoľnené v niektorom procese, napríklad pri exotermickej chemickej reakcii, ktoré by sa inak stratilo pre životné prostredie. Keď sú známe zmeny teploty v systéme a hmotnosť a merné teplo súpravy kalorimetra, je možné určiť množstvo tepla privedeného do systému týmto spôsobom. Príklady sú uvedené v nasledujúcej časti.

Kalorimeter môže byť zostrojený z mnohých rôznych materiálov s podmienkou, že sú izolačné (t. J. Neprepúšťajú prenos tepla; termín sa tiež používa v elektromagnetizme na označenie odporu proti prenosu elektrického náboja).

Jedna bežná verzia môže byť vyrobená z pohára z polystyrénu a dobre padnúceho viečka. V tomto kalorimetri na šálky na kávu sa zvyčajne používa voda ako rozpúšťadlo a teplomer a (ak je to potrebné) miešacia tyčinka sa tesne prilieha cez malé otvory vo veku šálky.

Zmena tepla uzavretého systému (pozitívna z definície v prípade kalorimetra) je daná hodnotou súčin hmotnosti systému, tepelnej kapacity kalorimetra a zmeny teploty systému systém:

Kde:

• Q = vyvinuté teplo (rovnaké ako absorbované teplo - uvoľnené teplo) v jouloch (J)
• m = hmotnosť v kilogramoch (kg)
• c = špecifická tepelná kapacita v J / kg⋅ ° C (alebo J / kg⋅K)
• ∆T = zmena teploty v ° C (alebo K)

Teplo, ktoré sa uvoľňuje z akejkoľvek exotermickej (teplo uvoľňujúcej) chemickej reakcie, ku ktorej dôjde v kalorimetri, by sa bežne rozptýlilo do životného prostredia. Toto je strata zaznamenaná až do zmeny termodynamickej veličiny známej ako entalpia ktorý popisuje vnútornú energiu systému a zmeny vo vzťahu tlaku a objemu systému. Toto teplo sa naopak zachytáva medzi rozpúšťadlom a viečkom pohára.
Predtým bola predstavená myšlienka úspory energie. Pretože teplo vstupujúce do kalorimetra sa musí rovnať teplu uvoľnenému systémom v kalorimetri pozostávajúcom z reaktantov a samotné výrobky, znak zmeny tepla pre tento systém je negatívny a má rovnakú veľkosť ako teplo získané pomocou kalorimeter.

Vyššie uvedené a súvisiace tvrdenia predpokladajú, že z kalorimetra neuniká iba teplo alebo zanedbateľné množstvo tepla. Ak nie je k dispozícii izolácia, teplo sa pohybuje z teplejších do chladnejších oblastí, takže bez správnej izolácie teplo opustí zostava kalorimetra pre okolité prostredie, pokiaľ nie je teplota prostredia teplejšia ako teplota prostredia kalorimeter.

Nasledujúca tabuľka obsahuje špecifické teplo v J / kg⋅ ° C niektorých bežne sa vyskytujúcich prvkov a zlúčenín.

• H₂O, ľad: 2,108
• H₂O, voda: 4,184
• H₂O, vodná para: 2,062
• Metanol: 2,531
• Etanol: 2,438
• Benzén: 1 745
• Uhlík, grafit: 0,709
• Uhlík, diamant: 0,509
• Hliník: 0,897
• Železo: 0,449
• Meď: 0,385
• Zlato: 0,129

• Ortuť: 0,140

• Stolová soľ (NaCI): 0,864

• Kremeň: 0,742
• Kalcit: 0,915

Upozorňujeme, že voda má neobvykle veľkú tepelnú kapacitu. Je možno neintuitívne, že gram vody sa pri rovnakom množstve pridaného tepla zahreje o necelú desatinu ako gram vody, ale to je dôležité pre život na celej planéte.

Voda tvorí asi tri štvrtiny vášho tela, takže môžete tolerovať veľké výkyvy teploty prostredia. Všeobecnejšie povedané, oceány pôsobia ako zásobníky tepla, ktoré pomáhajú stabilizovať teploty na celom svete.

Teraz ste pripravení na niektoré výpočty týkajúce sa kalorimetrov.
Príklad 1: Najskôr vezmite jednoduchý prípad, keď sa gram hydroxidu sodného (NaOH) rozpustí v 50 ml vody pri 25 ° C. Vezmite tepelnú kapacitu vody pri tejto teplote na 4,184 J / kg⋅ ° C a zvážte, že 50 ml vody má hmotnosť 50 gramov alebo 0,05 kg. Ak sa teplota roztoku zvýši na 30,32 ° C, koľko tepla získa kalorimeter?

Máte Q = mc∆T = (0,05 kg) (4,184 kJ / kg⋅ ° C) (30,32 - 5,32 ° C)

= 1,113 kJ alebo 1 113 J.

Príklad 2: Teraz zvážte prípad domácej solárnej akumulačnej jednotky, ktorá sa časom stáva čoraz populárnejšou. Predpokladajme, že toto zariadenie spotrebováva 400 L vody na akumuláciu tepelnej energie.
Za jasného letného dňa je počiatočná teplota vody 23,0 ° C. V priebehu dňa teplota vody stúpa na 39,0 ° C, pretože cirkuluje cez „vodnú stenu“ jednotky. Koľko energie sa uložilo vo vode?

Znova predpokladajme, že hmotnosť vody je 400 kg, to znamená, že hustotu vody je možné v tomto teplotnom rozmedzí považovať za presne 1,0 (ide o zjednodušenie).

Zaujímavá rovnica je tentokrát:

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

= 26 778 J = 26,78 kJ.

To je dosť energie na to, aby ste na asi 1,5 sekundy napájali 1,5 kW vykurovací priestor:

(26,78 kJ) (kW / (kJ / s) / (1,5 kW) = 17,85 s

S najväčšou pravdepodobnosťou majú vlastníci domu naplánované iné využitie, ak žijú v solárnom dome.

Môžete použiť online kalkulačky, ktoré vám umožňujú ľahko prevádzať medzi jednotkami špecifického tepla vrátane neobvyklých, ale nie úplne vyhynutých jednotiek, ako je Btu / lb_m^oF.