วิธีการคำนวณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องวัดปริมาณความร้อน

เมื่อถึงจุดหนึ่งในชีวิตของคุณ คุณอาจเคยสงสัยว่า แคลอรี่ คือหลังจากดูฉลากข้อมูลโภชนาการสำหรับอาหารที่กำหนด นอกเหนือจากสิ่งที่หลายคนชอบที่จะเห็นตัวเลขที่ต่ำกว่าที่เกี่ยวข้องเมื่อสแกนฉลากดังกล่าว แคลอรี่คืออะไร?

และ "แคลอรี่" จะเพิ่มมวลให้กับระบบสิ่งมีชีวิตได้อย่างไรหากสิ่งนี้เกิดขึ้นจริง และคุณจะแน่ใจได้อย่างไรว่าจำนวนแคลอรี่ที่ระบุไว้สำหรับรายการที่กำหนด - ค่านี้สร้างความมั่นใจหรือตกต่ำ - ถูกกำหนดอย่างถูกต้องหรือไม่?

ความร้อน เป็นหนึ่งในคุณสมบัติมากมายของโลกแวดล้อมที่คุณอาจอธิบายได้ดีในบางคำที่คุณเลือกมาอย่างดี แต่มีความหมายที่เน้นย้ำมากกว่าในด้านวิทยาศาสตร์กายภาพ แคลอรี่เป็นตัววัดความร้อน เช่นเดียวกับจูล (J) และหน่วยความร้อนอังกฤษ (btu) การศึกษาการแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์กายภาพที่เรียกว่า การวัดปริมาณความร้อนซึ่งจะขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่เรียกว่า แคลอรีมิเตอร์.

ตามสัญชาตญาณ คุณอาจพบว่าอาหารแช่เย็นหรือแช่แข็ง เช่น ไอศกรีมและชีสเค้กสามารถบรรจุอาหารจำนวนมากที่ควรให้ความร้อนในปริมาณเล็กน้อยโดยสังหรณ์ใจ นอกจากนี้ หากแคลอรีแปลเป็นความร้อน อาหารที่ให้พลังงานมากกว่านั้นก็ไม่ควรนำไปสู่น้ำหนัก การสูญเสีย แทนที่จะเพิ่มมวลกาย?

คำถามเหล่านี้เป็นคำถามที่ดีและหลังจากที่คุณ "เผา" ผ่านส่วนที่เหลือของบทความนี้ คุณจะมีคำตอบเหล่านี้และอื่นๆ อีกมากมายเพื่อนำไปใช้ในห้องแล็บการวัดปริมาณความร้อนหรือการอภิปรายเรื่องกีฬาและโภชนาการ

ความร้อนสามารถคิดได้เป็นส่วนใหญ่ว่า พลังงานความร้อน เช่นเดียวกับพลังงานรูปแบบอื่น ๆ มันมีหน่วยของ จูลส์ (หรือเทียบเท่าในหน่วยที่ไม่ใช่ SI) ความร้อนเป็นปริมาณที่เข้าใจยากซึ่งยากต่อการวัดโดยตรง แต่สามารถใช้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายใต้สภาวะการทดลองที่ควบคุมได้เพื่อกำหนดว่าระบบได้รับหรือสูญเสียความร้อนหรือไม่

ความจริงที่ว่าความร้อนถือเป็นพลังงานหมายความว่าการติดตามความร้อนนั้นเป็นแบบฝึกหัดทางคณิตศาสตร์ที่ตรงไปตรงมาแม้กระทั่ง หากการทดลองบางครั้งทำให้ยากต่อการกำหนดสภาวะที่ไม่มีพลังงานความร้อนหลบหนีและหลีกเลี่ยงการวัด แต่เนื่องจากความเป็นจริงพื้นฐานเช่น กฎการอนุรักษ์พลังงาน หลักการตารางความร้อนค่อนข้างง่าย

วัสดุมีระดับความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่แตกต่างกันเมื่อเพิ่มความร้อนในปริมาณที่กำหนดลงในปริมาณคงที่ของสารนั้น กล่าวคือ ถ้าคุณเอาสาร A 1 กิโลกรัม และสาร B 1 กิโลกรัม แล้วเติมความร้อนแต่ละอย่างในปริมาณเท่ากัน โดยไม่อนุญาตให้ปล่อยความร้อนไว้ด้วย ระบบอุณหภูมิของ A อาจเพิ่มขึ้นเพียงหนึ่งในห้าของอุณหภูมิของสาร B เท่านั้น

นี่จะหมายความว่าสาร A มี a ความร้อนจำเพาะ ห้าเท่าของสาร A แนวคิดที่จะสำรวจในรายละเอียดด้านล่าง

"แคลอรี" ที่ระบุบนฉลากโภชนาการเป็นกิโลแคลอรีหรือ กิโลแคลอรี ดังนั้นในความเป็นจริง น้ำอัดลมกระป๋องทั่วไปมีประมาณ 120,000 แคลอรี ซึ่งแสดงออกโดยธรรมเนียมปฏิบัติว่าเป็นแคลอรีในการสื่อสารในชีวิตประจำวัน

• แคลอรี่ เป็นคำภาษาละติน แปลว่า เพียงพอ ความร้อน

แคลอรี่เทียบเท่ากับประมาณ 4.184 จูล หมายความว่าแคลอรีที่ถือว่าเป็นแคลอรีบนฉลากอาหารจะเท่ากับ 4,184 จูล หรือ 4.184 กิโลจูล อัตราการใช้พลังงาน (จูลต่อวินาที) ในวิทยาศาสตร์กายภาพเรียกว่ากำลัง และหน่วย SI คือวัตต์ (W) เท่ากับ 1 J/s ดังนั้น 1 กิโลแคลอรีจึงเป็นพลังงานที่เพียงพอสำหรับส่งกำลังให้ระบบส่งเสียงฮัมที่ 0.35 ถึง 0.4 กิโลวัตต์ (350 J/s) เป็นเวลาประมาณ 12 วินาที:

P = E/t ดังนั้น t = E/P = 4.186 kJ/(0.35 kJ/s) = 12.0

• นักกีฬาที่มีความอดทนสูง เช่น นักปั่นจักรยานหรือนักวิ่ง สามารถรักษากำลังดังกล่าวไว้ได้เป็นระยะเวลานาน ตามทฤษฎีแล้ว เครื่องดื่มให้พลังงาน 100 แคลอรี (100 กิโลแคลอรี) สามารถทำให้นักปั่นจักรยานบนถนนหรือนักวิ่งมาราธอนวิ่งได้ประมาณ 100 ครั้ง 12 วินาทีหรือ 20 นาที เนื่องจากระบบของมนุษย์ไม่ได้มีประสิทธิภาพเชิงกลไกเกือบ 100 เปอร์เซ็นต์ จึงต้องใช้มากกว่า 300 กิโลแคลอรีในการทำงานที่ระดับแอโรบิกเต็มพิกัดเป็นเวลานาน
  

ดิ แคลอรี่ หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 กรัม ขึ้น 1 องศาเซลเซียส ปัญหาหนึ่งของสิ่งนี้คือมีความแปรผันเล็กน้อยของน้ำ c ที่มีอุณหภูมิตลอดช่วงอุณหภูมิที่ H₂O เป็นของเหลว "จำเพาะ" ใน "ความร้อนจำเพาะ" ไม่ได้หมายถึงวัสดุเฉพาะเท่านั้น แต่ยังหมายถึงอุณหภูมิจำเพาะอีกด้วย

• ความร้อนจำเพาะของวัสดุส่วนใหญ่จะได้รับที่ 20

  °C หรือ 25 °C.

ในทางเทคนิค คำว่า "ความจุความร้อน" และ "ความจุความร้อนจำเพาะ" หมายถึงสิ่งที่แตกต่างกัน แม้ว่าคุณอาจเห็นว่าใช้แทนกันได้ในแหล่งที่เข้มงวดน้อยกว่า

ความจุความร้อน เมื่อกำหนดในตอนแรก หมายถึงปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการทำให้วัตถุทั้งหมดอุ่น (ซึ่งอาจทำจากวัสดุหลายชนิด) ตามปริมาณที่กำหนด ความจุความร้อนจำเพาะ หมายถึง ปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 กรัม ของวัสดุเฉพาะ โดย 1 องศาเซลเซียสหรือเคลวิน (°C หรือ K)

• แม้ว่ามาตราส่วนอุณหภูมิเซลเซียสและเคลวินจะไม่เท่ากัน แต่จะแตกต่างกันตามปริมาณที่กำหนด เนื่องจาก °C + 273 = K โดยที่ K เป็นค่าลบไม่ได้ ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงเชิงตัวเลขในอุณหภูมิในระดับหนึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในระดับเดียวกันในอีกระดับหนึ่ง ซึ่งแตกต่างจากกรณีที่มีการแปลงระหว่างฟาเรนไฮต์-เซลเซียส

แทนที่จะย่อ "ความจุความร้อนจำเพาะ" เป็น "ความจุความร้อน" ให้ใช้คำว่า .แทน ความร้อนจำเพาะเช่นเดียวกับอนุสัญญาในแหล่งที่มีชื่อเสียง

วัตถุประสงค์ของ แคลอรีมิเตอร์ คือการดักจับความร้อนที่ปล่อยออกมาในบางกระบวนการ เช่น ปฏิกิริยาเคมีคายความร้อน ที่อาจสูญเสียสู่สิ่งแวดล้อม เมื่อทราบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบและมวลและความร้อนจำเพาะของการประกอบแคลอรีมิเตอร์ จะสามารถกำหนดปริมาณความร้อนที่ใส่เข้าสู่ระบบโดยกระบวนการได้ ตัวอย่างมีให้ในหัวข้อถัดไป

สามารถสร้างแคลอรีมิเตอร์ได้จากวัสดุหลายชนิด โดยมีเงื่อนไขว่าวัสดุเหล่านั้นเป็นฉนวน (เช่น ไม่อนุญาตการถ่ายเทความร้อน คำนี้ยังใช้ในแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่ออ้างถึงความต้านทานต่อการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า)

หนึ่งรุ่นทั่วไปสามารถทำจากถ้วยโฟมและฝาที่กระชับพอดี ในเครื่องวัดปริมาณความร้อนในถ้วยกาแฟนี้ น้ำมักใช้เป็นตัวทำละลาย และเทอร์โมมิเตอร์และไม้กวน (ถ้าจำเป็น) จะติดแน่นผ่านรูเล็กๆ ที่ฝาถ้วย

การเปลี่ยนแปลงความร้อนของระบบปิด (บวกตามคำจำกัดความในกรณีของแคลอรีมิเตอร์) ถูกกำหนดโดย ผลคูณของมวลของระบบ ความจุความร้อนของเครื่องวัดความร้อนและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของ ระบบ:

ที่ไหน:

• Q = ความร้อนที่วิวัฒนาการ (เท่ากับความร้อนที่ดูดซับ – ความร้อนที่ปล่อยออกมา) ในหน่วยจูล (J)
• m = มวลเป็นกิโลกรัม (กก.)
• c = ความจุความร้อนจำเพาะในหน่วย J/kg⋅°C (หรือ J/kg⋅K)
• ∆T = การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในหน่วย °C (หรือ K)

ความร้อนที่ปลดปล่อยจากปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน (การปล่อยความร้อน) ใดๆ ที่เกิดขึ้นในเครื่องวัดปริมาณความร้อนจะกระจายออกสู่สิ่งแวดล้อมตามปกติ นี่คือการสูญเสียที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ที่เรียกว่า เอนทัลปี ที่อธิบายทั้งพลังงานภายในของระบบและการเปลี่ยนแปลงในความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและปริมาตรของระบบ ความร้อนนี้จะติดอยู่ระหว่างตัวทำละลายกับฝาถ้วยแทน
ก่อนหน้านี้ได้มีการนำแนวคิดการอนุรักษ์พลังงานมาใช้ เนื่องจากความร้อนที่เข้าสู่แคลอรีมิเตอร์จะต้องเท่ากับความร้อนที่ปล่อยออกมาจากระบบภายในแคลอรีมิเตอร์ซึ่งประกอบด้วยสารตั้งต้นและ ตัวผลิตภัณฑ์เอง สัญญาณของการเปลี่ยนแปลงความร้อนของระบบนี้เป็นค่าลบและมีขนาดเท่ากับความร้อนที่ได้รับจาก แคลอรีมิเตอร์

ข้อความข้างต้นและข้อความที่เกี่ยวข้องสันนิษฐานว่าไม่มีความร้อนหรือความร้อนเพียงเล็กน้อยเล็ดลอดออกจากแคลอรีมิเตอร์ ความร้อนจะเคลื่อนจากบริเวณที่อุ่นกว่าไปยังที่เย็นกว่าเมื่อไม่มีฉนวน ดังนั้นหากไม่มีฉนวนที่เหมาะสม ความร้อนจะออกจาก leave การประกอบแคลอรีมิเตอร์สำหรับสภาพแวดล้อม เว้นแต่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมจะอุ่นกว่าอุณหภูมิของ แคลอรีมิเตอร์

แผนภูมิต่อไปนี้ประกอบด้วยความร้อนจำเพาะใน J/kg⋅°C ของธาตุและสารประกอบที่พบได้ทั่วไปบางชนิด

• โฮ₂โอ น้ำแข็ง: 2.108
• โฮ₂โอ น้ำ: 4.184
• โฮ₂O ไอน้ำ: 2.062
• เมทานอล: 2.531
• เอทานอล: 2.438
• เบนซิน: 1.745
• คาร์บอน กราไฟต์: 0.709
• คาร์บอน, เพชร: 0.509
• อลูมิเนียม: 0.897
• เหล็ก: 0.449
• ทองแดง: 0.385
• ทอง: 0.129

• ปรอท: 0.140

• เกลือแกง (NaCl): 0.864

• ควอตซ์: 0.742
• แคลไซต์: 0.915

โปรดทราบว่าน้ำมีความจุความร้อนสูงผิดปกติ มันอาจจะขัดกับสัญชาตญาณที่ว่าน้ำ 1 กรัมจะอุ่นขึ้นน้อยกว่าหนึ่งในสิบของปริมาณน้ำ 1 กรัมที่ให้ความร้อนเพิ่มขึ้นเท่ากัน แต่สิ่งนี้สำคัญต่อชีวิตทั่วโลก

น้ำประกอบขึ้นประมาณสามในสี่ของร่างกายคุณ ทำให้คุณสามารถทนต่ออุณหภูมิแวดล้อมที่ผันผวนได้ มหาสมุทรทำหน้าที่เป็นแหล่งเก็บความร้อนเพื่อช่วยให้อุณหภูมิทั่วโลกคงที่

ตอนนี้คุณพร้อมสำหรับการคำนวณที่เกี่ยวข้องกับเครื่องวัดปริมาณความร้อนแล้ว
ตัวอย่างที่ 1: ขั้นแรก ให้นำโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หนึ่งกรัมไปละลายในน้ำ 50 มล. ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส นำความจุความร้อนของน้ำที่อุณหภูมินี้ไปที่ 4.184 J/kg⋅°C และพิจารณาว่าน้ำ 50 มล. มีมวล 50 กรัมหรือ 0.05 กก. หากอุณหภูมิของสารละลายเพิ่มขึ้นเป็น 30.32 °C แคลอรีมิเตอร์จะได้รับความร้อนเท่าใด

คุณมี Q = mc∆T = (0.05 กก.)(4.184 kJ/kg⋅°C)(30.32 − 5.32 °C)

= 1.113 kJ หรือ 1,113 J.

ตัวอย่างที่ 2: ลองพิจารณากรณีของหน่วยเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในบ้าน ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ได้รับความนิยมมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป สมมติว่าอุปกรณ์นี้ใช้น้ำ 400 ลิตรเพื่อเก็บพลังงานความร้อน
ในวันที่อากาศแจ่มใส อุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำคือ 23.0 °C ในระหว่างวัน อุณหภูมิของน้ำจะสูงขึ้นถึง 39.0 °C ขณะที่ไหลผ่าน "กำแพงน้ำ" ของเครื่อง พลังงานถูกเก็บไว้ในน้ำมากแค่ไหน?

อีกครั้ง สมมติว่ามวลของน้ำคือ 400 กิโลกรัม นั่นคือ ความหนาแน่นของน้ำถือได้ว่ามีค่าเท่ากับ 1.0 ภายในช่วงอุณหภูมินี้พอดี (นี่คือการทำให้เข้าใจง่าย)

สมการดอกเบี้ยในครั้งนี้คือ

Q = mc∆T = (400 กก.)(4.184 kJ/kg⋅°C)(39 °C − 23 °C)

= 26,778 จูล = 26.78 กิโลจูล

นี่เป็นพลังงานเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับฮีตเตอร์พื้นที่ 1.5 กิโลวัตต์เป็นเวลาประมาณ 17 วินาที:

(26.78 kJ)(kW/(kJ/s)/(1.5 kW) = 17.85 วิ

เป็นไปได้มากว่าเจ้าของบ้านมีแผนการใช้งานที่แตกต่างกันหากพวกเขาอาศัยอยู่ในบ้านพลังงานแสงอาทิตย์

คุณสามารถใช้เครื่องคิดเลขออนไลน์ที่ให้คุณแปลงหน่วยของความร้อนจำเพาะได้อย่างง่ายดาย ซึ่งรวมถึงหน่วยที่ผิดปกติแต่ยังไม่ดับสนิท เช่น Btu/lb_ม^oเอฟ