Hur man beräknar värmekapacitet

Om du tittar på ytan på en frusen damm smälter långsamt på en atypiskt varm vintereftermiddag och ser samma sak inträffa på på en närliggande fryst vattenpöl i närheten, kan du observera att isen i varje verkar förvandlas till vatten på ungefär samma Betygsätta.

Men vad händer om allt solljus som faller på den exponerade ytan av dammen, kanske en tunnland i storlek, samtidigt fokuserades på pölens yta?

Din intuition berättar förmodligen att inte bara pölens yta skulle smälta i vatten mycket snabbt utan också hela pölen kan till och med bli vattenånga nästan omedelbart och kringgå vätskefasen för att bli vattnig gas. Men varför skulle det vara fysiskt vetenskapligt?

Samma intuition berättar sannolikt att det finns ett samband mellan värme, massa och temperaturförändringen på is, vatten eller båda.

När det händer är detta fallet och idén sträcker sig också till andra ämnen, som alla har olika "motstånd" mot värme, vilket manifesteras i olika temperaturförändringar som svar på en viss mängd om den tillsätts värme. Dessa idéer kombinerar för att erbjuda begreppen

Värme är en av de till synes otaliga formerna av den mängd som kallas energi i fysik. Energi har enheter av kraft gånger avstånd, eller newton-meter, men detta kallas vanligtvis joule (J). I vissa applikationer är kalorin, lika med 4,18 J, standardenheten; i ännu andra styr btu, eller den brittiska temainheten, dagen.

Värme tenderar att "röra sig" från varmare till svalare områden, det vill säga till områden där det för närvarande finns mindre värme. Även om värme inte kan hållas eller ses kan förändringar i dess storlek mätas via temperaturförändringar.

Temperatur är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin för en uppsättning molekyler, som en bägare med vatten eller en behållare med en gas. Tillsats av värme ökar denna molekylära kinetiska energi, och därmed temperaturen, samtidigt som den minskar sänker temperaturen.

Varför är en joule lika med 4,18 kalorier? Eftersom kalorin (cal), men inte SI-enheten för värme, härrör från metriska enheter och är grundläggande på ett sätt: Det är mängden värme behövs för att höja ett gram vatten vid rumstemperatur med 1 K eller 1 ° C. (En 1-gradersförändring på Kelvin-skalan är identisk med en 1-gradersförändring på Celsius-skalan; emellertid kompenseras de två med cirka 273 grader, så att 0 K = 273,15 ° C.)

• "Kalorin" på matetiketter är faktiskt en kilokalori (kcal), vilket innebär att en 12-uns burk med sockerhaltig läsk innehåller cirka 150 000 sanna kalorier.

Hur man kan bestämma en sådan sak genom experiment, med vatten eller något annat ämne, är att placera en given massa av den i en behållare, tillsätt en viss mängd värme utan att tillåta något av ämnet eller värmen att släppa ut enheten och mäta förändringen i temperatur.

Eftersom du känner till ämnets massa och kan anta att värme och temperatur är enhetliga hela tiden, du kan bestämma genom enkel uppdelning hur mycket värme som skulle förändra en enhetsmängd, som 1 gram, med samma temperatur.

Värmekapacitetsformeln finns i olika former, men alla uppgår till samma grundekvation:

Q = mCΔT

Denna ekvation anger helt enkelt att förändringen i värme Q i ett slutet system (en vätska, gas eller fast substans material) är lika med massan m av provet gånger temperaturförändringen AT gånger en parameter C kallad specifik värmekapacitet, eller bara specifik värme. Ju högre värde på C, desto mer värme kan ett system absorbera samtidigt som temperaturhöjningen bibehålls.

Värmekapacitet är den värmemängd som behövs för att öka temperaturen på ett objekt med en viss mängd (vanligtvis 1 K), så SI-enheterna är J / K. Objektet kan vara enhetligt eller så kan det inte vara. Det skulle vara möjligt att ungefär bestämma värmekapaciteten för en blandning av ämnen som lera om du kände till dess massa och mätte dess temperaturförändring som svar på uppvärmning i en förseglad anordning av vissa sortera.

En mer användbar kvantitet inom kemi, fysik och teknik är specifik värmekapacitet C, mätt i värmeenheter per enhetsmassa. Specifika värmekapacitetsenheter är vanligtvis joule per gram-kelvin eller J / g⋅K, även om kilo (kg) är SI-massenheten. En anledning till att specifik värme är användbar är att om du har en känd massa av ett enhetligt ämne och känner till dess värme kapacitet kan du bedöma dess lämplighet att fungera som en "kylfläns" för att undvika brandrisker i vissa experiment situationer.

Vatten har faktiskt en mycket hög värmekapacitet. Med tanke på att människokroppen måste kunna tolerera tillsats eller subtraktion av betydande mängder värme tack vare jordens under olika förhållanden, skulle detta vara ett grundläggande krav för alla biologiska enheter som mestadels består av vatten, som nästan alla stora levande saker är.

Föreställ dig en idrottsarena med plats för 100 000 personer och en annan över staden med plats för 50000 personer. I ett ögonblick är det tydligt att den absoluta "sittkapaciteten" på den första arenan är dubbelt så stor som den andra. Men föreställ dig också att den andra arenan är konstruerad på ett sådant sätt att den bara tar upp fjärdedel av volymen för den första.

Om du gör algebra upptäcker du att den mindre arenan faktiskt har dubbelt så många personer per enhet som den större, vilket ger den dubbelt så mycket som "specifikt säte".

I denna analogi, tänk på enskilda åskådare som värmeenheter av identisk storlek, som strömmar in och ut från arenan. Medan den större arenan kan rymma dubbelt så mycket "värme" totalt sett, har den mindre arenan faktiskt dubbelt så stor kapacitet att "lagra" den här versionen av "värme" per enhet.

Om varje sektion av samma stadion på båda arenorna antas producera samma mängd skräp efter spelet när det är fullt, oavsett hur många människor den rymmer, då kommer den mindre att vara dubbelt så effektiv för att minska kullen av enskild åskådare; tänk på att detta är dubbelt så elastiskt mot temperaturökningar per värmeenhet.

Från detta kan du se att om två objekt med samma specifika värme har olika massor, kommer det större att ha en större värmekapacitet med en mängd som skalas med hur mycket mer massiv den är. När man jämför objekt med olika massor och olika specifika värmar blir situationen mer komplex.

Metallkopparen har en specifik värme på 0,386 J / g⋅K. Hur mycket värme behövs för att höja temperaturen på 1 kg (1000 g eller 2,2 pund) koppar från 0 ° C till 100 ° C?
Q = (m) (C) (AT) = (1.000 g) (0.386 J / g⋅K) (100 K) = 38.600 J = 38.6 kJ.

Vad är värmekapacitet av denna bit koppar? Du behöver 38.600 J för att höja hela massan med 100 K, så du skulle behöva 1/100 av detta för att skjuta upp den med 1 K. Sålunda är värmekapaciteten för koppar i denna storlek 386 J.