Ako vypočítať tepelnú kapacitu

Ak sledujete, ako sa povrch zamrznutého rybníka v netypicky teplé zimné popoludnie pomaly topí, a sledujete, ako sa to isté deje aj na povrchu neďalekej zamrznutej mláky dobrej veľkosti, môžete pozorovať, že ľad sa v každej z nich javí ako premenený na vodu približne rovnako. sadzba.

Ale čo keď všetko slnečné svetlo dopadajúce na exponovaný povrch rybníka, možno s rozlohou akra, bolo súčasne zamerané na povrch mláky?

Vaša intuícia vám pravdepodobne hovorí, že povrch kaluže by sa nielenže veľmi rýchlo rozpustil vo vode, ale aj celá mláka sa dokonca takmer okamžite môže stať vodnou parou, pričom obíde kvapalnú fázu a stane sa vodnatou plyn. Ale prečo by to tak malo byť z hľadiska fyzikálnych vied?

Rovnaká intuícia vám pravdepodobne hovorí, že existuje vzťah medzi teplom, hmotou a zmenou teploty ľadu, vody alebo obidvomi spôsobmi.

Ako to tak býva, je to tak a táto myšlienka sa vzťahuje aj na ďalšie látky, z ktorých každá má odlišné látky „odolnosti“ voči teplu, ktoré sa prejavujú rôznymi zmenami teploty v reakcii na dané množstvo, ak sa pridajú teplo. Tieto myšlienky kombinujú a ponúkajú koncepty

Teplo je jednou zo zdanlivo nespočetných foriem kvantity známej ako energia vo fyzike. Energia má jednotky sily krát vzdialenosť alebo newtonmetre, ale zvyčajne sa to nazýva joule (J). V niektorých aplikáciách je kalória rovná 4,18 J štandardnou jednotkou; v iných ešte vládne deň alebo britská tematická jednotka.

Teplo má tendenciu „prechádzať“ z teplejších do chladnejších oblastí, to znamená do oblastí, do ktorých je v súčasnosti menej tepla. Aj keď teplo nie je možné udržať alebo vidieť, zmeny jeho veľkosti je možné merať prostredníctvom zmien teploty.

Teplota je mierou priemernej kinetickej energie súboru molekúl, napríklad kadičky s vodou alebo nádoby s plynom. Pridaním tepla sa zvyšuje táto molekulárna kinetická energia, a tým aj teplota, pri jej znižovaní sa teplota znižuje.

Prečo sa joule rovná 4,18 kalórií? Pretože kalória (kal), aj keď nie je jednotkou tepla SI, je odvodená z metrických jednotiek a je svojím spôsobom základná: množstvo tepla potrebné na zvýšenie jedného gramu vody pri izbovej teplote o 1 K alebo 1 ° C. (Zmena o 1 stupeň na Kelvinovej stupnici je identická so zmenou o 1 stupeň na stupnici Celzia; tieto dva sú však posunuté asi o 273 stupňov, takže 0 K = 273,15 ° C.)

• „Kalória“ na štítkoch potravín je v skutočnosti kilokalória (kcal), čo znamená, že 12-uncová plechovka sladkej sódy obsahuje asi 150 000 skutočných kalórií.

Spôsob, akým je možné určiť takúto vec experimentom, použitím vody alebo inej látky, je umiestniť jej danú hmotnosť do nádoby, pridajte dané množstvo tepla bez toho, aby niektorej z látok alebo tepla unikol zo zostavy, a zmerajte zmenu v teplota.

Pretože poznáte hmotnosť látky a môžete predpokladať, že teplo a teplota sú všade jednotné, vy môže jednoduchým delením určiť, koľko tepla by rovnako zmenilo jednotkové množstvo, napríklad 1 gram teplota.

Vzorec tepelnej kapacity má rôzne formy, ale všetky sa rovnajú rovnakej základnej rovnici:

Q = mCΔT

Táto rovnica jednoducho uvádza, že zmena tepla Q uzavretého systému (kvapalina, plyn alebo tuhá látka) materiál) sa rovná hmotnosti m vzorky krát doba zmeny teploty ΔT krát parameter C zavolal Špecifická tepelná kapacita, alebo len špecifické teplo. Čím vyššia je hodnota C, tým viac tepla môže systém absorbovať pri zachovaní rovnakého zvýšenia teploty.

Tepelná kapacita je množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty objektu o určité množstvo (zvyčajne o 1 K), takže jednotky SI sú J / K. Objekt môže byť jednotný alebo nemusí byť. Bolo by možné zhruba určiť tepelnú kapacitu zmesi látok, ako je bahno, ak poznal jeho hmotnosť a zmeral jeho zmenu teploty v reakcii na jeho zahriatie v zapečatenom prístroji triediť.

Užitočnejšie množstvo v chémii, fyzike a inžinierstve je merná tepelná kapacita C, merané v jednotkách tepla na jednotku hmotnosti. Merné jednotky tepelnej kapacity sú zvyčajne jouly na gram-kelvin alebo J / g⋅K, aj keď kilogram (kg) je jednotkou hmotnosti SI. Jedným z dôvodov, prečo je špecifické teplo užitočné, je to, že ak máte známu hmotnosť rovnomernej látky a poznáte jej teplo kapacity, môžete posúdiť jeho vhodnosť slúžiť ako „chladič“, aby ste sa vyhli rizikám požiaru pri určitých experimentálnych pokusoch situáciách.

Voda má skutočne veľmi vysokú tepelnú kapacitu. Berúc do úvahy, že ľudské telo musí byť schopné tolerovať sčítanie alebo odčítanie významného množstva tepla vďaka Zemi premenlivé podmienky, to by bola základná požiadavka na každú biologickú entitu, ktorá je vyrobená väčšinou z vody, ako takmer každý značný živý organizmus veci sú.

Predstavte si športový štadión, ktorý pojme 100 000 ľudí, a ďalší oproti mestu, ktorý pojme 50 000 ľudí. Na prvý pohľad je zrejmé, že absolútna „kapacita miest“ na prvom štadióne je dvakrát vyššia ako na druhom. Ale tiež si predstavte, že druhý štadión je postavený tak, že iba zaberá jedna štvrtina objemu prvého.

Ak urobíte algebru, zistíte, že na menšom štadióne je v skutočnosti dvakrát viac ľudí na jednotku priestoru ako väčší, čím získa dvojnásobok hodnoty „konkrétneho sedadla“.

V tejto analógii si predstavte jednotlivých divákov ako jednotky tepla rovnakej veľkosti prúdiace na štadión a von zo štadióna. Zatiaľ čo väčší štadión pojme celkovo dvakrát toľko „tepla“, menší štadión má v skutočnosti dvojnásobnú kapacitu na „uloženie“ tejto verzie „tepla“ na jednotku priestoru.

Ak sa predpokladá, že každá rovnaká časť oboch štadiónov vyprodukuje po zaplnení rovnaké množstvo koša po zápase, bez ohľadu na to, koľko ľudí má, potom bude ten menší dvakrát menej efektívny pri znižovaní množstva podstielky z individuálne divákov; Predstavte si to ako dvakrát odolnejšie voči zvýšeniu teploty na jednotku pridaného tepla.

Z toho môžete vidieť, že ak dva objekty s rovnakým špecifickým teplom majú rozdielne hmotnosti, väčší bude mať väčšiu tepelnú kapacitu o množstvo, ktoré sa zmenší o to masívnejšie. Pri porovnaní predmetov rôznych hmotností a rôznych špecifických horúčav sa situácia stáva zložitejšou.

Kovová meď má špecifické teplo 0,386 J / g⋅K. Koľko tepla je potrebné na zvýšenie teploty 1 kg (1 000 g) medi z 0 ° C na 100 ° C?
Q = (m) (C) (AT) = (1 000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38 600 J = 38,6 kJ.

Čo je tepelná kapacita tohto kusu medi? Potrebujete 38 600 J, aby ste zdvihli celú hmotu o 100 K, takže na jej vychýlenie o 1 K by ste potrebovali 1/100. Tepelná kapacita medi v tejto veľkosti je teda 386 J.