สมมติว่าคุณเทน้ำในปริมาณคงที่ลงในบีกเกอร์สองอันที่แตกต่างกัน บีกเกอร์ตัวหนึ่งสูงและแคบ และบีกเกอร์อีกอันสูงและกว้าง ถ้าปริมาณน้ำที่เทลงในบีกเกอร์แต่ละอันเท่ากัน คุณคาดว่าระดับน้ำในบีกเกอร์แคบจะสูงขึ้น
ความกว้างของถังเหล่านี้คล้ายคลึงกับแนวคิดของความจุความร้อนจำเพาะ ในการเปรียบเทียบนี้ น้ำที่เทลงในถังสามารถคิดได้ว่าเป็นพลังงานความร้อนที่เติมลงในวัสดุสองชนิดที่แตกต่างกัน การเพิ่มขึ้นของระดับบนถังนั้นคล้ายคลึงกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เกิดขึ้น
ความจุความร้อนจำเพาะคืออะไร?
ความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุคือปริมาณพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มมวลหน่วยของวัสดุนั้นขึ้น 1 เคลวิน (หรือองศาเซลเซียส) หน่วย SI ของความจุความร้อนจำเพาะคือ J/kgK (จูลต่อกิโลกรัม × เคลวิน)
ความร้อนจำเพาะจะแตกต่างกันไปตามคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นค่าที่คุณมักจะค้นหาในตาราง ความร้อนคิวเพิ่มลงในมวลสารมด้วยความจุความร้อนจำเพาะคส่งผลให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง temperatureΔTกำหนดโดยความสัมพันธ์ต่อไปนี้:
Q=mc\Delta T
ความร้อนจำเพาะของน้ำ
ความจุความร้อนจำเพาะของหินแกรนิตคือ 790 J/kgK ของตะกั่วคือ 128 J/kgK ของแก้ว 840 J/kgK ทองแดง 386 J/kgK และน้ำ 4,186 J/kgK สังเกตว่าความจุความร้อนจำเพาะของน้ำมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับสารอื่นๆ ในรายการ ปรากฎว่าน้ำมีความจุความร้อนจำเพาะสูงสุดของสารใดๆ
สารที่มีความจุความร้อนจำเพาะมากกว่าสามารถมีอุณหภูมิที่เสถียรกว่ามาก นั่นคืออุณหภูมิจะไม่ผันผวนมากนักเมื่อคุณเพิ่มหรือเอาพลังงานความร้อนออก (ลองนึกย้อนกลับไปที่การเปรียบเทียบบีกเกอร์ในตอนต้นของบทความนี้ หากคุณบวกและลบของเหลวในปริมาณเท่ากันในบีกเกอร์แบบกว้างและแบบแคบ ระดับจะเปลี่ยนแปลงน้อยลงในบีกเกอร์แบบกว้าง)
เป็นเพราะเหตุนี้ เมืองชายฝั่งจึงมีสภาพอากาศที่อบอุ่นมากกว่าเมืองในแผ่นดิน การอยู่ใกล้แหล่งน้ำขนาดใหญ่ทำให้อุณหภูมิคงที่
ความจุความร้อนจำเพาะขนาดใหญ่ของน้ำก็เป็นสาเหตุเช่นกันว่าทำไมเมื่อคุณนำพิซซ่าออกจากเตาอบ ซอสจะยังคงไหม้คุณแม้ว่าเปลือกโลกจะเย็นลงแล้วก็ตาม ซอสที่ใส่น้ำจะต้องให้พลังงานความร้อนมากขึ้นก่อนที่จะลดอุณหภูมิลงเมื่อเทียบกับเปลือกโลก
ตัวอย่างความจุความร้อนจำเพาะ
สมมติว่าเพิ่มพลังงานความร้อน 10,000 J ลงในทราย 1 กิโลกรัม (คส = 840 J/kgK) เริ่มแรกที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ในขณะที่เพิ่มพลังงานความร้อนในปริมาณเท่ากันลงในส่วนผสมของทราย 0.5 กก. และน้ำ 0.5 กก. เริ่มแรกที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียสเช่นกัน อุณหภูมิสุดท้ายของทรายเป็นอย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับอุณหภูมิสุดท้ายของส่วนผสมทราย/น้ำ?
สารละลาย:ขั้นแรกให้แก้สูตรความร้อนสำหรับΔTที่จะได้รับ:
\เดลต้า T=\frac{Q}{mc}
สำหรับทราย คุณจะได้รับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิดังต่อไปนี้:
\Delta T=\frac{10,000}{1\times 840}=11.9 \text{degree}
ซึ่งทำให้อุณหภูมิสุดท้ายอยู่ที่ 31.9 องศาเซลเซียส
สำหรับส่วนผสมของทรายและน้ำนั้นซับซ้อนกว่าเล็กน้อย คุณไม่สามารถแบ่งพลังงานความร้อนระหว่างน้ำและทรายเท่าๆ กันได้ ผสมเข้าด้วยกันจึงต้องผ่านการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่าๆ กัน
ในขณะที่คุณทราบพลังงานความร้อนทั้งหมด คุณไม่รู้ว่าแต่ละพลังงานได้รับเท่าใดในตอนแรก ปล่อยคิวสเป็นปริมาณพลังงานจากความร้อนที่ทรายได้รับและคิวwเป็นปริมาณพลังงานที่น้ำได้รับ ตอนนี้ใช้ความจริงที่ว่าคิว = คิวส + คิวwเพื่อรับสิ่งต่อไปนี้:
Q=Q_s+Q_w=m_sc_s\Delta T+m_wc_w\Delta T=(m_sc_s+m_wc_w)\Delta T
ตอนนี้มันตรงไปตรงมาที่จะแก้ปัญหาสำหรับΔT:
\Delta T = \frac{Q}{m_sc_s+m_wc_w}
เสียบตัวเลขแล้วให้:
\Delta T = \frac{10,000}{0.5\times 840+0.5\times 4,186} = 4 \text{ องศา}
ส่วนผสมจะเพิ่มขึ้นเพียง 4 C สำหรับอุณหภูมิสุดท้ายที่ 24 C ซึ่งต่ำกว่าทรายบริสุทธิ์อย่างมาก!