Kako izračunati toploto, pridobljeno s kalorimetrom

V nekem obdobju svojega življenja ste se verjetno vprašali, kaj a kalorija je po pregledu oznake s podatki o hranilni vrednosti za določeno živilo. Kaj je kalorija, razen tega, kar mnogi ljudje radi vidijo nižje številke, ko skenirajo takšne etikete?

In kako "kalorije" dodajo maso živim sistemom, če pa se to dejansko zgodi? In kako ste lahko prepričani, da je bilo število kalorij, navedenih za določen izdelek - naj bo ta vrednost pomirjujoča ali depresivna - natančno določeno?

Vročina je ena izmed mnogih lastnosti ambientalnega sveta, ki jo verjetno lahko dobro opišete s svojimi dobro izbranimi besedami, vendar ima v fizikalnih znanostih bolj osredotočen pomen. Kalorija je merilo toplote, prav tako džul (J) in britanska toplotna enota (btu). Preučevanje izmenjave toplote je veja fizikalne znanosti, znana kot kalorimetrija, ki pa temelji na imenovanih napravah kalorimetri.

Intuitivno se vam morda zdi čudno, da lahko ohlajena ali zamrznjena hrana, kot sta sladoled in sira, v majhno porcijo zapakira veliko tega, kar naj bi bilo toplote. Če kalorije nekako preidejo v toploto, naj hrana, ki jo dobi več, dejansko ne povzroči teže

To so dobra vprašanja in po tem, ko boste "prežgali" preostanek tega članka, boste imeli te odgovore in še veliko več, da jih lahko popeljete do naslednjega laboratorija za kalorimetrijo ali razprave o športni prehrani.

Toploto lahko razumemo predvsem kot termalna energija. Tako kot druge oblike energije ima tudi enote džuli (ali ekvivalent v enotah, ki niso SI). Toplota je izmuzljiva količina, saj jo je težko neposredno izmeriti. Namesto tega lahko s spremembami temperature v nadzorovanih eksperimentalnih pogojih določimo, ali je sistem pridobil ali izgubil toploto.

Dejstvo, da se toplota obravnava kot energija, pomeni, da je njeno sledenje celo matematično preprosto izvajanje če poskusi včasih otežijo vzpostavitev pogojev, v katerih nobena toplotna energija ne uide in se izmika merjenju. Toda zaradi temeljnih realnosti, kot je zakon o ohranjanju energije, tabeliranje toplote je načeloma dokaj preprosto.

Materiali imajo različne stopnje odpornosti na spreminjajoče se temperature, ko se določeni količini te snovi doda določena količina toplote. To pomeni, če ste vzeli 1 kilogram snovi A in 1 kilogram snovi B in vsakemu dodali enako količino toplote, pri čemer nobena toplota ne sme zapustiti sistem, se lahko temperatura A zviša le za petino toliko kot temperatura snovi B.

To bi pomenilo, da ima snov A a Specifična toplota petkrat več kot snov A, koncept, ki ga bomo podrobno raziskali spodaj.

"Kalorija", navedena na prehranskih etiketah, je v resnici kilokalorija ali kcal. V resnici ima tipična konzerva sladkorne sode približno 120.000 kalorij, kar se običajno izrazi kot kalorija v vsakodnevni komunikaciji.

• Calor je latinska beseda za, primerno, toploto.

Kalorija je enaka približno 4.184 J, kar pomeni, da je kcal, obravnavan kot kalorija na nalepkah na živilih, enak 4.184 J ali 4.184 kJ. Stopnja porabe energije (džulov na sekundo) v fizikalni znanosti se imenuje moč, enota SI pa je vati (W), enaki 1 J / s. Ena kcal je torej zadostna količina energije za poganjanje sistema, ki približno 12 sekund brni pri 0,35 do 0,4 kW (350 J / s):

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

• Usposobljeni vzdržljivostni športnik, kot je kolesar ali tekač, je sposoben vzdrževati takšno moč v daljšem obdobju. V teoriji bi torej lahko 100-kalorična (100 kcal) energijska pijača olimpijskega cestnega kolesarja ali maratonca ohranila približno 100-krat 12 sekund ali 20 minut. Ker človeški sistem mehansko ni skoraj 100-odstotno učinkovit, dejansko tako dolgo potrebuje več kot 300 kcal, da deluje s skoraj popolno aerobno zmogljivostjo.
  

The kalorija je opredeljena kot količina toplote, potrebna za povečanje temperature 1 grama vode za 1 stopinjo Celzija. Eden od problemov pri tem je, da pride do rahlega spreminjanja temperature vode v temperaturi v območju temperatur, pri katerih je H₂O je tekočina. "Specifično" v "specifični toploti" se ne nanaša samo na določene materiale, temveč na določeno temperaturo.

• Specifične toplote večine materialov so podane pri 20

  ° C ali 25 ° C.

Tehnično pojma "toplotna zmogljivost" in "specifična toplotna zmogljivost" pomenita različne stvari, čeprav jih boste morda uporabili v zamenljivih virih.

Toplotna zmogljivost, ko je bila prvotno skovana, se je nanašala preprosto na količino toplote, ki je potrebna za ogrevanje celotnega predmeta (ki je lahko iz več materialov) za določeno količino. Specifična toplotna zmogljivost se nanaša na količino toplote, ki je potrebna za dvig temperature za 1 gram določenega materiala za 1 stopinjo Celzija ali Kelvina (° C ali K).

• Medtem ko temperaturni lestvici Celzija in Kelvina nista enaki, se razlikujeta za določeno količino, saj ° C + 273 = K, kjer K ne more biti negativna. To pomeni, da določena numerična sprememba temperature v eni lestvici povzroči enako velikost spremembe v drugi, za razliko od primerov med pretvorbami po Fahrenheitu in Celziju.

Namesto da skrajšate "specifično toplotno zmogljivost" na "toplotna zmogljivost", raje uporabite izraz Specifična toplota, kot je konvencija v uglednih virih.

Namen a kalorimeter je zajemanje toplote, ki se sprosti v nekem procesu, kot je eksotermna kemična reakcija, ki bi se sicer izgubila v okolju. Ko sta znani temperaturna sprememba sistema ter masa in specifična toplota sklopa kalorimetra, lahko določimo količino toplote, ki jo v postopek vnese sistem. Primeri so navedeni v naslednjem poglavju.

Kalorimeter je mogoče izdelati iz številnih različnih materialov, pod pogojem, da so izolacijski (tj. Ne dopuščajo prenosa toplote; izraz se v elektromagnetizmu uporablja tudi za odpornost proti prenosu električnega naboja).

Ena pogosta različica je lahko narejena iz skodelice iz stiroporja in dobro prilegajočega se pokrova. V tem kalorimetru za kavno skodelico se kot topilo običajno uporablja voda, skozi majhne luknje na pokrovu skodelice pa sta tesno nameščena termometer in (če je potrebno) mešalna palica.

Sprememba toplote zaprtega sistema (pozitivna po definiciji v primeru kalorimetra) podaja zmnožek mase sistema, toplotne zmogljivosti kalorimetra in spremembe temperature sistem:

Kje:

• Q = razvita toplota (enaka absorbirani toploti - sproščena toplota) v džulih (J)
• m = masa v kilogramih (kg)
• c = specifična toplotna zmogljivost v J / kg⋅ ° C (ali J / kg⋅K)
• =T = sprememba temperature v ° C (ali K)

Toplota, ki se sprosti iz kakršne koli eksotermne (sproščajoče) kemične reakcije v kalorimetru, bi se običajno razpršila v okolje. To je izguba, označena s spremembo termodinamične količine, znane kot entalpija ki opisuje tako notranjo energijo sistema kot spremembe razmerja med tlakom in prostornino sistema. Ta toplota je namesto tega ujeta med topilom in pokrovom skodelice.
Prej je bila predstavljena ideja o ohranjanju energije. Ker mora biti toplota, ki vstopa v kalorimeter, enaka toploti, ki jo sprošča sistem znotraj kalorimetra, sestavljenega iz reaktantov in proizvodov, je znak spremembe toplote za ta sistem negativen in ima enako velikost kot toplota, ki jo pridobi sistem kalorimeter.

Zgornje in z njimi povezane trditve predpostavljajo, da iz kalorimetra ne uhaja samo toplota ali zanemarljive količine toplote. Ko izolacija ni prisotna, se toplota premika iz toplejših v hladnejše prostore, zato brez ustrezne izolacije toplota zapusti kalorimetrski sklop za okolje, razen če je temperatura okolja toplejša od temperature v okolju kalorimeter.

Naslednja tabela vključuje specifično toploto v J / kg⋅ ° C nekaterih pogostih elementov in spojin.

• H₂O, led: 2.108
• H₂O, voda: 4.184
• H₂O, vodna para: 2.062
• Metanol: 2,531
• Etanol: 2,438
• Benzen: 1.745
• Ogljik, grafit: 0,709
• Ogljik, diamant: 0,509
• Aluminij: 0,897
• Železo: 0,449
• Baker: 0,385
• Zlato: 0,129

• Živo srebro: 0,140

• Namizna sol (NaCl): 0,864

• Kremen: 0,742
• Kalcit: 0,915

Upoštevajte, da ima voda nenavadno veliko toplotno zmogljivost. Morda ni nasprotno, da se bo gram vode ob enaki količini dodane toplote segrel za manj kot desetino toliko kot gram vode, vendar je to pomembno za življenje okoli planeta.

Voda predstavlja približno tri četrtine vašega telesa, zaradi česar lahko prenašate večje nihanje okoljske temperature. Širše gledano, oceani delujejo kot rezervoarji toplote in pomagajo stabilizirati temperature po vsem svetu.

Zdaj ste pripravljeni na nekaj izračunov, ki vključujejo kalorimetre.
Primer 1: Najprej vzemimo preprost primer, da se gram natrijevega hidroksida (NaOH) raztopi v 50 ml vode pri 25 ° C. Vzemite toplotno zmogljivost vode pri tej temperaturi 4,184 J / kg⋅ ° C in upoštevajte, da ima 50 ml vode maso 50 gramov ali 0,05 kg. Če temperatura raztopine naraste na 30,32 ° C, koliko toplote pridobi kalorimeter?

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

= 1.113 kJ ali 1.113 J.

2. primer: Zdaj pa razmislite o primeru domače enote za shranjevanje sončne energije, ki s časom postaja vse bolj priljubljena. Predpostavimo, da ta naprava za shranjevanje toplotne energije porabi 400 L vode.
Na jasen poletni dan je začetna temperatura vode 23,0 ° C. Čez dan se temperatura vode dvigne na 39,0 ° C, ko kroži skozi "vodno steno" enote. Koliko energije je bilo shranjeno v vodi?

Še enkrat, predpostavimo, da je masa vode 400 kg, to je, da lahko v tem temperaturnem območju gostota vode velja za natančno 1,0 (to je poenostavitev).

Enačba obresti je tokrat:

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

= 26.778 J = 26,78 kJ.

To je dovolj energije za napajanje 1,5-kW ogrevalnega prostora za približno 17 sekund:

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

Najverjetneje imajo lastniki stanovanj zanjo načrtovano drugačno uporabo, če živijo v sončni hiši.

Uporabite lahko spletne kalkulatorje, ki vam omogočajo enostavno pretvorbo med enotami specifične toplote, vključno z nenavadnimi, vendar ne povsem izumrlimi enotami, kot je Btu / lb_m^oF.