Како израчунати топлоту добијену калориметром

У неком тренутку свог живота, вероватно сте се питали шта а калорија је након прегледа налепнице са информацијама о хранљивој вредности за дату храну. Шта је калорија, осим нечега што многи људи воле да виде ниже бројеве повезане са скенирањем таквих етикета?

А како „калорије“ додају масу живим системима, ако се то заправо догађа? И како можете бити сигурни да је број калорија наведен за одређену ставку - било да је ова вредност умирујућа или депресивна - тачно утврђен?

Топлота је једно од многих својстава амбијенталног света које вероватно можете добро описати са неколико својих добро изабраних речи, али у физичким наукама има усредсређеније значење. Калорија је мера топлоте, као и џул (Ј) и британска термална јединица (бту). Проучавање размене топлоте је грана физичке науке позната као калориметрија, који се пак ослања на уређаје зване калориметри.

Интуитивно вам се можда чини необичним да расхлађена или смрзнута храна попут сладоледа и торте са сиром може у мало сервирати пуно онога што наводно има топлоте. Такође, ако се калорије некако преводе у топлоту, храна која је даје више не би требало да доведе до тежине

То су добра питања, а након што "прогутате" остатак овог чланка, имаћете ове одговоре и још много тога за одлазак у следећу лабораторију за калориметрију или дискусију о спортској исхрани.

О топлоти се може размишљати углавном као о топлотна енергија. Као и други облици енергије, он има јединице џула (или еквивалент у јединицама које нису СИ). Топлота је неухватљива количина јер је тешко директно мерити. Уместо тога, промене температуре под контролисаним експерименталним условима могу се користити да би се утврдило да ли је систем стекао или изгубио топлоту.

Чињеница да се топлота третира као енергија значи да је њено праћење чак математички једноставна вежба ако експерименти понекад отежавају успостављање услова у којима никаква топлотна енергија не измиче и измиче мерењу. Али због основних стварности као што је закон очувања енергије, табеларно израчунавање топлоте је у принципу прилично једноставно.

Материјали имају различит ниво отпорности на промене температуре када се одређеној количини топлоте дода одређена количина те супстанце. Односно, ако сте узели 1 килограм супстанце А и 1 килограм супстанце Б и у њих додали исту количину топлоте, а ниједна топлота не сме да напусти систем, температура А могла би се повећати за само петину колико температура супстанце Б.

То би значило да супстанца А има а специфична топлота пет пута већи од супстанце А, концепт који ће се детаљно истражити у наставку.

„Калорија“ наведена на етикетама за исхрану је заправо килокалорија или кцал. Дакле, у стварности, типична лименка шећеране соде садржи око 120.000 калорија, што се конвенционално изражава као калорија у свакодневној комуникацији.

• Цалор је латинска реч за, прикладно, топлоту.

Калорија је еквивалентна око 4.184 Ј, што значи да је кцал третиран као калорија на етикетама са храном једнак 4.184 Ј или 4.184 кЈ. Стопа потрошње енергије (џула у секунди) у физичкој науци се назива снага, а СИ јединица је ват (В), једнак 1 Ј / с. Због тога је један кцал довољна количина енергије за напајање система који бруји од 0,35 до 0,4 кВ (350 Ј / с) током око 12 секунди:

П = Е / т, па је т = Е / П = 4,186 кЈ / (0,35 кЈ / с) = 12,0.

• Обучени спортиста издржљивости, попут бициклисте или тркача, способан је да одржи такву излазну снагу током дужих периода. У теорији, енергетско пиће од 100 калорија (100 кцал) могло би да одржи олимпијског бициклиста или маратонца око 100 пута 12 секунди или 20 минута. Будући да људски систем није готово 100-постотно механички ефикасан, заправо му је потребно више од 300 кцал да би радио овако близу аеробног капацитета толико дуго.
  

Тхе калорија дефинише се као количина топлоте потребна за повећање температуре од 1 грама воде за 1 степен Целзијуса. Један проблем са овим је тај што постоји мала варијација ц воде са температуром у опсегу температура на којима је Х.₂О је течност. „Специфично“ у „специфичној топлоти“ односи се не само на одређене материјале већ и на одређену температуру.

• Специфичне топлоте већине материјала дате су на 20

  ° Ц или 25 ° Ц.

Технички, изрази „топлотни капацитет“ и „специфични топлотни капацитет“ значе различите ствари, иако их можете видети наизменично у мање ригорозним изворима.

Капацитет топлоте, када се првобитно сковао, односио се једноставно на количину топлоте која је потребна за загревање целог предмета (који може бити израђен од више материјала) за задату количину. Специфични топлотни капацитет односи се на количину топлоте која је потребна за повишење температуре од 1 грама одређеног материјала за 1 степен Целзијуса или Келвина (° Ц или К).

• Иако температурне скале Целзијуса и Келвина нису исте, оне се разликују за фиксну количину, као ° Ц + 273 = К, где К не може бити негативан. То значи да дата нумеричка промена температуре у једној скали производи исту величину промене у другој, за разлику од случаја са Фахренхеит-Целзијусовим конверзијама.

Уместо да скраћујете „специфични топлотни капацитет“ на „топлотни капацитет“, уместо тога користите термин специфична топлота, као што је конвенција у угледним изворима.

Сврха а калориметар је хватање топлоте која се ослобађа у неком процесу, као што је егзотермна хемијска реакција, која би иначе била изгубљена за животну средину. Када су познате промена температуре система и маса и специфична топлота склопа калориметра, може се одредити количина топлоте која се у тај процес уноси у систем. Примери су дати у следећем одељку.

Калориметар се може направити од више различитих материјала, под условом да буду изолациони (тј. Да не дозвољавају пренос топлоте; термин се такође користи у електромагнетизму да би се односио на отпор против преноса електричног наелектрисања).

Једна честа верзија може се направити од шоље од стиропора и добро уклопљеног поклопца. У овом калориметру шољице за кафу вода се обично користи као растварач, а термометар и (ако је потребно) штап за мешање чврсто се постављају кроз мале рупе на поклопцу шоље.

Промена топлоте затвореног система (позитивна по дефиницији у случају калориметра) даје умножак масе система, топлотни капацитет калориметра и промена температуре систем:

Где:

• К = развијена топлота (једнака апсорбованој топлоти - ослобођена топлота) у џулима (Ј)
• м = маса у килограмима (кг)
• ц = специфични топлотни капацитет у Ј / кг⋅ ° Ц (или Ј / кг⋅К)
• ∆Т = промена температуре у ° Ц (или К)

Топлота која се ослобађа од било које егзотермне (ослобађајуће топлоте) хемијске реакције у калориметру обично би се распршила у животну средину. Ово је губитак креден до промене термодинамичке величине познате као енталпија која описује и унутрашњу енергију система и промене у односу притисак-запремина система. Ова топлота је уместо тога заробљена између растварача и поклопца чаше.
Раније је представљена идеја о очувању енергије. Јер топлота која улази у калориметар мора бити једнака топлоти коју систем ослобађа унутар калориметра који се састоји од реактаната и самих производа, знак промене топлоте за овај систем је негативан и има исту величину као топлота коју добија калориметар.

Горње и сродне изјаве претпостављају да из калориметра не излази само топлота или занемарљива количина топлоте. Топлота се премешта из топлијих у хладнија подручја када изолација није присутна, па ће без одговарајуће изолације топлота напустити калориметар за амбијенталну средину, осим ако је температура околине топлија од температуре калориметар.

Следећа табела укључује специфичну топлоту у елементима и једињењима у Ј / кг⋅ ° Ц.

• Х.₂О, лед: 2.108
• Х.₂О, вода: 4.184
• Х.₂О, водена пара: 2.062
• Метанол: 2.531
• Етанол: 2.438
• Бензен: 1.745
• Угљеник, графит: 0,709
• Угљеник, дијамант: 0.509
• Алуминијум: 0.897
• Гвожђе: 0,449
• Бакар: 0,385
• Злато: 0,129

• Жива: 0,140

• Стона сол (НаЦл): 0,864

• Кварц: 0,742
• Калцит: 0,915

Имајте на уму да вода има необично велики топлотни капацитет. Можда је контраинтуитивно да ће се грам воде загрејати за мање од једне десетине колико и грам воде уз исту количину додате топлоте, али то је важно за живот широм планете.

Вода чини око три четвртине вашег тела, што омогућава да поднесете велике промене температуре околине. Шире гледано, океани делују као резервоари топлоте како би помогли стабилизовању температура широм света.

Сада сте спремни за неке прорачуне који укључују калориметре.
Пример 1: Прво узмимо једноставан случај грама натријум хидроксида (НаОХ) раствореног у 50 мл воде на 25 ° Ц. Узмите топлотни капацитет воде на овој температури од 4,184 Ј / кг⋅ ° Ц и узмите у обзир да 50 мл воде има масу од 50 грама или 0,05 кг. Ако се температура раствора повећа на 30,32 ° Ц, колико топлоте добија калориметар?

Имате К = мц∆Т = (0,05 кг) (4,184 кЈ / кг⋅ ° Ц) (30,32 - 5,32 ° Ц)

= 1,113 кЈ или 1.113 Ј.

Пример 2: Сада размотрите случај кућне јединице за складиштење соларне енергије, уређаја који временом постаје све популарнији. Претпоставимо да овај уређај користи 400 Л воде за складиштење топлотне енергије.
У ведром летњем дану почетна температура воде је 23,0 ° Ц. Током дана температура воде расте до 39,0 ° Ц док циркулише кроз „водени зид“ јединице. Колико је енергије ускладиштено у води?

Опет, претпоставимо да је маса воде 400 кг, односно да се густина воде може сматрати тачно 1,0 у овом температурном опсегу (ово је поједностављење).

Једначина интереса овог пута је:

К = мц∆Т = (400 кг) (4,184 кЈ / кг⋅ ° Ц) (39 ° Ц - 23 ° Ц)

= 26.778 Ј = 26.78 кЈ.

Ово је довољно енергије за напајање грејача простора од 1,5 кВ око 17 секунди:

(26,78 кЈ) (кВ / (кЈ / с) / (1,5 кВ) = 17,85 с

Највероватније, власници кућа за то имају другачију употребу ако живе у соларној кући.

Можете да користите мрежне калкулаторе који вам омогућавају лако претварање између јединица специфичне топлоте, укључујући необичне, али не потпуно изумрле јединице као што је Бту / лб_м^оФ.