Како израчунати топлотни капацитет

Ако посматрате како се површина смрзнутог рибњака полако топи у нетипично топло зимско поподне и гледате како се иста ствар догађа на површине оближње смрзнуте локве велике величине, могли бисте приметити да се лед у свакој претвара у воду приближно у исто време стопа.

Али шта ако се сва сунчева светлост која пада на отворену површину баре, можда величине хектара, истовремено фокусира на површину локве?

Ваша интуиција вам вероватно говори да би се не само површина локве врло брзо истопила у води, већ читава локва може чак и тренутно да постане водена пара, заобилазећи течну фазу и постајући воденаста гасни. Али зашто би, са становишта физичке науке, ово требало бити?

Иста интуиција вам вероватно говори да постоји веза између топлоте, масе и промене температуре леда, воде или обоје.

Случајно је то случај и идеја се проширује и на друге супстанце од којих свака има различите „отпорности“ на топлоту, што се манифестује у различитим температурним променама као одговор на дату количину ако се дода топлота. Ове идеје се комбинирају и нуде концепте специфична топлота и топлотни капацитет.

Топлота је један од наизглед безбројних облика величине која је у физици позната као енергија. Енергија има јединице снаге помножене са раздаљином или њутон-метрима, али то се обично назива џул (Ј). У неким применама калорија, једнака 4,18 Ј, је стандардна јединица; у још другима, бту, или британска тематска јединица, влада даном.

Топлота има тенденцију да се „пресели“ из топлијих у хладнија подручја, односно у регионе у које тренутно има мање топлоте. Иако се топлота не може задржати или видети, промене њене величине могу се мерити променама температуре.

Температура је мера просечне кинетичке енергије скупа молекула, попут чаше са водом или посуде са гасом. Додавањем топлоте повећава се та молекуларна кинетичка енергија, а тиме и температура, док се смањењем смањује температура.

Зашто је џул једнак 4,18 калорија? Јер калорија (кал), иако није СИ јединица топлоте, изведена је из метричких јединица и на неки начин је фундаментална: количина топлоте потребан за подизање једног грама воде на собној температури за 1 К или 1 ° Ц. (Промена од 1 степен на Келвиновој скали идентична је промени од 1 степен на Целзијусовој скали; међутим, њих две су компензоване за око 273 степена, тако да је 0 К = 273,15 ° Ц.)

• „Калорија“ на етикетама намирница је заправо килокалорија (кцал) што значи да лименка слатке соде од 12 унци садржи око 150 000 истинских калорија.

Начин на који се тако нешто може утврдити експериментисањем, употребом воде или неке друге супстанце, јесте стављање дате масе у контејнеру, додајте задату количину топлоте не дозвољавајући да било која супстанца или топлота излази из склопа и измерите промену у температура.

Пошто знате масу супстанце и можете претпоставити да су топлота и температура уједначени у целости, ви може једноставним дељењем одредити колико топлоте би за исту променило јединицу, попут 1 грама температура.

Формула топлотног капацитета долази у различитим облицима, али све оне представљају исту основну једначину:

К = мЦΔТ

Ова једначина једноставно наводи да је промена топлоте К затвореног система (течност, гас или чврста супстанца материјал) једнак је маси м узорка помноженој са променом температуре ΔТ помноженом са параметром Ц. позвао специфични топлотни капацитет, или само специфична топлота. Што је већа вредност Ц, систем више топлоте може да апсорбује задржавајући исти пораст температуре.

Капацитет топлоте је количина топлоте потребна за повећање температуре објекта за одређену количину (обично 1 К), па су СИ јединице Ј / К. Предмет је можда уједначен, а можда није. Било би могуће грубо одредити топлотни капацитет смеше супстанци као што је блато знао његову масу и мерио температурну промену као одговор на загревање у запечаћеном уређају неких врста.

Кориснија количина у хемији, физици и инжењерству је специфични топлотни капацитет Ц., мерено у јединицама топлоте по јединици масе. Специфичне јединице топлотног капацитета су обично џули по граму келвина или Ј / г⋅К, иако је килограм (кг) СИ јединица масе. Један од разлога због којих је специфична топлота корисна је тај што ако имате познату масу једнолике супстанце и знате њену топлоту капацитета, можете проценити његову способност да служи као „хладњак“ како би се избегли ризици од пожара у одређеним експериментима ситуацијама.

Вода заправо има врло висок топлотни капацитет. С обзиром на то да људско тело мора бити у стању да толерише сабирање или одузимање значајних количина топлоте захваљујући Земљиној у различитим условима, ово би био основни захтев било ког биолошког ентитета који је углавном направљен од воде, јер готово сви живе у великој мери ствари јесу.

Замислите спортски стадион који прима 100.000 људи, а други преко града који седи 50.000 људи. На први поглед је јасно да је апсолутни „капацитет седишта“ првог стадиона двоструко већи од другог. Али такође замислите да је други стадион направљен тако да заузима само Једна четвртина запремине првог.

Ако се бавите алгебром, открићете да мањи стадион у ствари прима двоструко више људи по јединици простора као већи, дајући му двоструку вредност „одређеног седишта“.

У овој аналогији, замислите појединачне гледаоце као јединице топлоте идентичне величине, које улазе у и излазе из стадиона. Иако већи стадион може да прими двоструко више „топлоте“, мањи стадион заправо има двоструко већи капацитет за „складиштење“ ове верзије „топлоте“ по јединици простора.

Ако се претпоставља да сваки одсек оба стадиона исте величине производи исту количину смећа након утакмице када је напуњен, без обзира на то колико људи држи, тада ће мањи бити двоструко ефикаснији у смањењу легла од појединац гледаоци; мислите да је ово двоструко отпорније на пораст температуре по јединици додате топлоте.

Из овога можете да видите да ако два предмета са истом специфичном топлотом имају различите масе, већи ће имати већи топлотни капацитет за износ који се скалира са колико је масивнији. Када се упоређују објекти различитих маса и различитих специфичних топлота, ситуација постаје сложенија.

Метални бакар има специфичну топлоту од 0,386 Ј / г⋅К. Колико топлоте је потребно да би се температура бакра од 1 ° Ц подигла са 0 ° Ц на 100 ° Ц?
К = (м) (Ц) (ΔТ) = (1.000 г) (0.386 Ј / г⋅К) (100 К) = 38.600 Ј = 38.6 кЈ.

Шта је топлотни капацитет овог комада бакра? Потребно вам је 38.600 Ј да бисте целокупну масу подигли за 100 К, па би вам требала 1/100 од овога да бисте је погурали за 1 К. Тако је топлотни капацитет бакра ове величине 386 Ј.