Predpokladajme, že ste nalievali fixné množstvo vody do dvoch rôznych kadičiek. Jedna kadička je vysoká a úzka a druhá kadička vysoká a široká. Ak je množstvo vody naliatej do každej kadičky rovnaké, mali by ste očakávať, že hladina vody bude v úzkej kadičke vyššia.
Šírka týchto vedier je analogická s koncepciou špecifickej tepelnej kapacity. V tejto analógii možno vodu nalievanú do vedier považovať za tepelnú energiu pridávanú do dvoch rôznych materiálov. Rast hladiny na vedrách je analogický s výsledným zvýšením teploty.
Čo je to špecifická tepelná kapacita?
Merná tepelná kapacita materiálu je množstvo tepelnej energie potrebnej na zvýšenie jednotkovej hmotnosti tohto materiálu o 1 Kelvin (alebo stupeň Celzia). Jednotky SI so špecifickou tepelnou kapacitou sú J / kgK (jou na kilogram × Kelvin).
Merné teplo sa líši v závislosti od fyzikálnych vlastností materiálu. Preto je to hodnota, ktorú zvyčajne vyhľadáte v tabuľke. TeploQpridaný k hmotnému materiálumso špecifickou tepelnou kapacitoucmá za následok zmenu teplotyΔTurčený nasledujúcim vzťahom:
Q = mc \ Delta T
Merné teplo vody
Merná tepelná kapacita žuly je 790 J / kgK, olova 128 J / kgK, skla 840 J / kgK, medi 386 J / kgK a vody 4 186 J / kgK. Všimnite si, o koľko väčšia je špecifická tepelná kapacita vody v porovnaní s ostatnými látkami v zozname. Ukazuje sa, že voda má jednu z najvyšších špecifických tepelných kapacít akejkoľvek látky.
Látky s väčšími špecifickými tepelnými kapacitami môžu mať oveľa stabilnejšie teploty. To znamená, že ich teploty nebudú toľko kolísať, keď pridáte alebo odstránite tepelnú energiu. (Spomeňte si na analógiu kadičky na začiatku tohto článku. Ak do širokej a úzkej kadičky pridáte a odčítate rovnaké množstvo kvapaliny, hladina sa v širokej kadičke zmení oveľa menej.)
Z tohto dôvodu majú pobrežné mestá oveľa miernejšie podnebie ako vnútrozemské mestá. To, že sú blízko k tak veľkej vodnej ploche, stabilizuje ich teploty.
Veľká špecifická tepelná kapacita vody je tiež dôvodom, prečo keď vytiahnete pizzu z rúry, omáčka vás bude stále spaľovať aj po ochladení kôry. Omáčka obsahujúca vodu musí vydávať oveľa viac tepelnej energie, aby mohla poklesnúť v porovnaní s kôrkou.
Príklad špecifickej tepelnej kapacity
Predpokladajme, že k 1 kg piesku sa pridá 10 000 J tepelnej energie (cs = 840 J / kgK) spočiatku pri 20 stupňoch Celzia, zatiaľ čo rovnaké množstvo tepelnej energie sa pridá do zmesi 0,5 kg piesku a 0,5 kg vody, tiež spočiatku pri 20 ° C. Ako sa porovnáva konečná teplota piesku s konečnou teplotou zmesi piesok a voda?
Riešenie:Najskôr vyriešime tepelný vzorec preΔTzískať:
\ Delta T = \ frac {Q} {mc}
Pre piesok potom získate nasledujúcu zmenu teploty:
\ Delta T = \ frac {10 000} {1 \ krát 840} = 11,9 \ text {stupne}
Čo dáva konečnú teplotu 31,9 ° C.
Pre zmes piesku a vody je to trochu komplikovanejšie. Tepelnú energiu nemôžete rozdeliť rovnakým dielom medzi vodu a piesok. Sú zmiešané dohromady, takže musia podstúpiť rovnakú teplotnú zmenu.
Aj keď poznáte celkovú tepelnú energiu, najskôr neviete, koľko každá z nich dostane. PoďmeQsbyť množstvo energie z tepla, ktoré piesok získa aQwmnožstvo energie, ktorú voda dostane. Teraz využite skutočnosť, žeQ = Qs + Qwzískať nasledujúce:
Q = Q_s + Q_w = m_sc_s \ Delta T + m_wc_w \ Delta T = (m_sc_s + m_wc_w) \ Delta T
Teraz je to jednoduché vyriešiťΔT:
\ Delta T = \ frac {Q} {m_sc_s + m_wc_w}
Pripojením čísel potom získate:
\ Delta T = \ frac {10 000} {0,5 \ krát 840 + 0,5 \ krát 4 186} = 4 \ text {stupne}
Zmes stúpa iba o 4 ° C, pri konečnej teplote 24 ° C, podstatne nižšej ako čistý piesok!