Če opazujete, kako se površina zamrznjenega ribnika počasi topi v netipično toplem zimskem popoldnevu in opazujete, da se isto dogaja na na površini bližnje dobro zamrznjene luže lahko opazite, da se led v vsaki od njih pretvori v vodo približno enako oceniti.
Kaj pa, če bi bila vsa sončna svetloba, ki je padla na izpostavljeno površino ribnika, velika morda hektar, hkrati usmerjena na površino luže?
Vaša intuicija vam verjetno govori, da se ne bi samo površina luže stopila v vodo zelo hitro, ampak celotna luža lahko skoraj v hipu postane celo vodna para, mimo tekoče faze pa postane vodna plin. Toda zakaj bi s stališča fizikalne znanosti to moralo biti?
Ista intuicija vam verjetno govori, da obstaja povezava med toploto, maso in spremembo temperature ledu, vode ali obojega.
V resnici je tako in ideja se razteza tudi na druge snovi, ki imajo različne "odpornosti" na segrevanje, kar se kaže v različnih temperaturnih spremembah kot odziv na dano količino, če je dodana toplota. Te ideje združujejo in ponujajo koncepte Specifična toplota in toplotna zmogljivost.
Kaj je toplota v fiziki?
Toplota je ena od na videz neštetih oblik količine, ki jo v fiziki poznamo kot energija. Energija ima enote sile, pomnožene z razdaljo ali njutonmetre, vendar se to običajno imenuje džul (J). V nekaterih aplikacijah je kalorija, enaka 4,18 J, standardna enota; v drugih pa btu ali britanska tematska enota vlada dnevu.
Toplota se navadno "seli" iz toplejših v hladnejša območja, torej v regije, v katere je trenutno manj toplote. Medtem ko toplote ni mogoče zadržati ali videti, lahko spremembe njene velikosti izmerimo s spremembami temperature.
Temperatura je merilo povprečne kinetične energije nabora molekul, kot je čaša z vodo ali posoda s plinom. Dodajanje toplote zvišuje to molekularno kinetično energijo in s tem temperaturo, hkrati pa znižuje temperaturo.
Kaj je kalorimetrija?
Zakaj je džul enak 4,18 kalorije? Ker kalorija (kal), čeprav ni enota toplote SI, izhaja iz metričnih enot in je na nek način bistvena: količina toplote potreben za dvig enega grama vode pri sobni temperaturi za 1 K ali 1 ° C. (1-stopinjska sprememba na Kelvinovi lestvici je enaka 1-stopinjski na Celzijevi lestvici; vendar sta oba izravnana za približno 273 stopinj, tako da je 0 K = 273,15 ° C.)
- "Kalorija" na nalepkah na živilih je pravzaprav kilokalorija (kcal), kar pomeni, da konzerva sladke sode v 12 unčah vsebuje približno 150.000 pravih kalorij.
Način, kako lahko s poskusi, z vodo ali drugo snovjo določimo kaj takega, je dajanje določene mase posodi, dodajte določeno količino toplote, ne da bi pri tem kateri koli snovi ali toplota ušli iz sklopa, in izmerite spremembo v temperatura.
Ker poznate maso snovi in lahko domnevate, da sta vročina in temperatura vseskozi enaki, vi lahko s preprosto delitvijo ugotovi, koliko toplote bi za eno enoto, na primer 1 gram, spremenilo za enako temperatura.
Pojasnjena enačba toplotne zmogljivosti
Formula toplotne zmogljivosti je na voljo v različnih oblikah, vendar vse predstavljajo isto osnovno enačbo:
Q = mCΔT
Ta enačba preprosto navaja, da je sprememba toplote Q zaprtega sistema (tekočina, plin ali trdna snov) materiala) je enaka masi m vzorca, pomnoženi s temperaturno spremembo ΔT, pomnoženo s parametrom C poklical specifična toplotna zmogljivostali samo Specifična toplota. Višja kot je vrednost C, več toplote lahko sistem absorbira ob ohranjanju enakega povišanja temperature.
Kaj je specifična toplotna zmogljivost?
Toplotna zmogljivost je količina toplote, potrebna za povečanje temperature predmeta za določeno količino (običajno 1 K), zato so enote SI J / K. Predmet je lahko enoten ali pa ni. Če bi lahko, bi lahko približno določili toplotno sposobnost mešanice snovi, kot je blato vedel njegovo maso in izmeril njeno temperaturno spremembo kot odziv na ogrevanje v zaprti napravi nekaterih razvrsti.
Bolj uporabna količina v kemiji, fiziki in inženirstvu je specifična toplotna zmogljivost C, merjeno v enotah toplote na enoto mase. Specifične enote toplotne kapacitete so običajno džuli na gram-kelvin ali J / g⋅K, čeprav je kilogram (kg) masna enota SI. Eden od razlogov, zakaj je specifična toplota koristna, je ta, da če imate znano maso enotne snovi in poznate njeno toploto zmogljivosti, lahko presodite o njegovi primernosti, da služi kot "hladilno telo", da se izognete požarnim tveganjem v nekaterih poskusih situacijah.
Voda ima dejansko zelo visoko toplotno zmogljivost. Glede na to, da mora človeško telo prenašati dodajanje ali odštevanje pomembnih količin toplote po zaslugi Zemljine v različnih pogojih bi bila to osnovna zahteva vsake biološke enote, ki je večinoma narejena iz vode, saj skoraj vsa velika življenja stvari so.
Toplotna zmogljivost vs. Specifična toplota
Predstavljajte si športni stadion, ki sprejme 100.000 ljudi, in drug čez mesto, ki sprejme 50.000 ljudi. Že na prvi pogled je jasno, da je absolutna "sedežna zmogljivost" prvega stadiona dvakrat večja od druge. Toda predstavljajte si tudi, da je drugi stadion zgrajen tako, da zavzame samo ena četrtina obsega prvega.
Če naredite algebro, ugotovite, da manjši stadion dejansko sprejme dvakrat več ljudi na enoto prostora kot večji, kar mu daje dvakratno vrednost "določenega sedeža".
V tej analogiji si oglejte posamezne gledalce kot enote toplote enake velikosti, ki tečejo na stadion in iz njega. Medtem ko lahko večji stadion na splošno sprejme dvakrat več "toplote", ima manjši stadion dejansko dvakrat več zmogljivosti, da "shrani" to različico "toplote" na enoto prostora.
Če se domneva, da vsak enako velik del obeh stadionov napolni enako količino smeti po tekmi, ko je poln, ne glede na to, koliko ljudi sprejme, bo manjši dvakrat učinkoviteje zmanjšal leglo od posameznik gledalci; mislite, da je to dvakrat bolj odporno na povišanje temperature na enoto dodane toplote.
Iz tega lahko vidite, da če imata dva predmeta z enako specifično toploto različne mase, bo večji imel večjo toplotno zmogljivost za količino, ki se bo povečala s tem, kako bolj masivna je. Ko primerjamo predmete različnih mas in različnih specifičnih vročin, postane situacija bolj zapletena.
Primer izračuna specifične toplotne moči
Kovinski baker ima specifično toploto 0,386 J / g⋅K. Koliko toplote je potrebno za dvig temperature 1 kg bakra z 0 ° C na 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1.000 g) (0.386 J / g⋅K) (100 K) = 38.600 J = 38,6 kJ.
Kaj je toplotna zmogljivost tega kosa bakra? Za dvig celotne mase za 100 K potrebujete 38.600 J, zato bi potrebovali 1/100 tega, da bi jo zvišali za 1 K. Tako je toplotna zmogljivost bakra v tej velikosti 386 J.
