วิธีการคำนวณความจุความร้อน

หากคุณมองดูพื้นผิวของบ่อน้ำที่กลายเป็นน้ำแข็งค่อย ๆ ละลายในช่วงบ่ายของฤดูหนาวที่อบอุ่นผิดปกติ และดูสิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นบน พื้นผิวของแอ่งน้ำน้ำแข็งขนาดพอเหมาะในบริเวณใกล้เคียง คุณอาจสังเกตเห็นว่าน้ำแข็งในแต่ละก้อนแปรสภาพเป็นน้ำได้ใกล้เคียงกัน ประเมินค่า.

แต่ถ้าแสงแดดทั้งหมดตกกระทบพื้นผิวของสระน้ำ ซึ่งอาจมีขนาด 1 เอเคอร์ โฟกัสไปที่พื้นผิวแอ่งน้ำพร้อมกัน

สัญชาตญาณของคุณอาจบอกคุณว่าไม่เพียงแต่พื้นผิวของแอ่งน้ำจะละลายลงไปในน้ำอย่างรวดเร็วเท่านั้น แต่ แอ่งน้ำทั้งหมดอาจกลายเป็นไอน้ำแทบจะในทันที โดยผ่านเฟสของของเหลวกลายเป็นน้ำได้ แก๊ส. แต่ทำไมจากมุมมองของวิทยาศาสตร์กายภาพควรเป็นเช่นนี้?

สัญชาตญาณเดียวกันนั้นน่าจะบอกคุณว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน มวล และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของน้ำแข็ง น้ำ หรือทั้งสองอย่าง

เมื่อมันเกิดขึ้น ก็เป็นอย่างนี้ และความคิดก็ขยายไปสู่สารอื่นด้วย ซึ่งแต่ละอย่างมีความแตกต่างกัน "ความต้านทาน" ต่อความร้อนตามที่ปรากฏในการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่แตกต่างกันเพื่อตอบสนองต่อปริมาณที่กำหนดหากเพิ่ม ความร้อน ความคิดเหล่านี้รวมกันเพื่อเสนอแนวคิดของ ความร้อนจำเพาะ และ ความจุความร้อน.

ความร้อนเป็นหนึ่งในรูปแบบปริมาณนับไม่ถ้วนที่เรียกว่าพลังงานในฟิสิกส์ พลังงานมีหน่วยของแรง คูณ ระยะทาง หรือนิวตัน-เมตร แต่มักเรียกว่าจูล (J) ในบางแอปพลิเคชัน แคลอรี่เท่ากับ 4.18 J เป็นหน่วยมาตรฐาน ในส่วนที่เหลือ btu หรือหน่วย themal ของอังกฤษปกครองวันนั้น

ความร้อนมีแนวโน้มที่จะ "เคลื่อน" จากบริเวณที่อุ่นกว่าไปยังบริเวณที่เย็นกว่า กล่าวคือ ไปยังบริเวณที่มีความร้อนน้อยกว่าในปัจจุบัน แม้ว่าความร้อนจะจับต้องไม่ได้หรือมองเห็นได้ แต่ก็สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของขนาดได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของชุดของโมเลกุล เช่น ถ้วยน้ำหรือถังบรรจุก๊าซ การเพิ่มความร้อนจะเพิ่มพลังงานจลน์ของโมเลกุลขึ้น และด้วยเหตุนี้อุณหภูมิ ในขณะที่การลดอุณหภูมิลงจะทำให้อุณหภูมิลดลง

ทำไมจูลถึงเท่ากับ 4.18 แคลอรี่? เนื่องจากแคลอรี (แคล) แม้ว่าจะไม่ใช่หน่วย SI ของความร้อน แต่ได้มาจากหน่วยเมตริกและเป็นพื้นฐานในลักษณะหนึ่ง นั่นคือ ปริมาณความร้อน จำเป็นต้องเพิ่มน้ำหนึ่งกรัมที่อุณหภูมิห้อง 1 K หรือ 1 °C (การเปลี่ยนแปลง 1 องศาในระดับเคลวินจะเหมือนกับการเปลี่ยนแปลง 1 องศาในระดับเซลเซียส อย่างไรก็ตามทั้งสองถูกชดเชยประมาณ 273 องศา ดังนั้น 0 K = 273.15 °C)

• "แคลอรี่" บนฉลากอาหารจริงๆ แล้วเป็นกิโลแคลอรี (kcal) ซึ่งหมายความว่าโซดาหวานบรรจุกระป๋อง 12 ออนซ์มีแคลอรีจริงประมาณ 150,000 แคลอรี

วิธีหนึ่งที่สามารถกำหนดสิ่งนั้นโดยการทดลอง โดยใช้น้ำหรือสารอื่น ๆ คือการวางมวลที่กำหนดใน เติมความร้อนตามปริมาณที่กำหนดโดยไม่ให้สารหรือความร้อนหลุดออกจากการประกอบ และวัดการเปลี่ยนแปลงใน อุณหภูมิ.

เนื่องจากคุณรู้มวลของสสาร และสามารถสันนิษฐานได้ว่าความร้อนและอุณหภูมิมีความสม่ำเสมอตลอด คุณ สามารถกำหนดได้โดยหารง่ายๆ ว่าความร้อนจะเปลี่ยนปริมาณหน่วย เช่น 1 กรัม เท่ากัน อุณหภูมิ.

สูตรความจุความร้อนมีหลายรูปแบบ แต่ทั้งหมดมีค่าเท่ากับสมการพื้นฐานเดียวกัน:

Q = mCΔT

สมการนี้ระบุง่ายๆ ว่าการเปลี่ยนแปลงความร้อน Q ของระบบปิด (ของเหลว ก๊าซ หรือของแข็ง วัสดุ) เท่ากับมวล m ของตัวอย่างคูณการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ΔT คูณพารามิเตอร์ C เรียกว่า ความจุความร้อนจำเพาะหรือเพียงแค่ ความร้อนจำเพาะ. ยิ่งค่า C สูงเท่าใด ระบบก็จะดูดซับความร้อนได้มากเท่านั้น โดยที่ยังคงรักษาอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเท่าเดิม

ความจุความร้อนคือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของวัตถุจำนวนหนึ่ง (โดยปกติคือ 1 K) ดังนั้นหน่วย SI จึงเป็น J/K วัตถุอาจจะเหมือนกันหรืออาจจะไม่ เป็นไปได้ที่จะกำหนดความจุความร้อนคร่าวๆ ของส่วนผสมของสาร เช่น โคลน ถ้าคุณ ทราบมวลของมันและวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพื่อตอบสนองต่อความร้อนในอุปกรณ์ที่ปิดสนิทของบางส่วน เรียงลำดับ

ปริมาณที่เป็นประโยชน์มากขึ้นในด้านเคมี ฟิสิกส์ และวิศวกรรมคือ ความจุความร้อนจำเพาะ C, วัดเป็นหน่วยความร้อนต่อหน่วยมวล หน่วยความจุความร้อนจำเพาะมักจะเป็นจูลต่อกรัมเคลวิน หรือ J/g⋅K แม้ว่ากิโลกรัม (กก.) จะเป็นหน่วย SI ของมวล เหตุผลหนึ่งที่ความร้อนจำเพาะมีประโยชน์คือถ้าคุณมีมวลของสารสม่ำเสมอและรู้จักความร้อนของมัน ความจุคุณสามารถตัดสินความเหมาะสมที่จะทำหน้าที่เป็น "อ่างความร้อน" เพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากไฟไหม้ในการทดลองบางอย่าง สถานการณ์

น้ำมีความจุความร้อนสูงมาก โดยพิจารณาว่าร่างกายมนุษย์จะต้องสามารถทนต่อการบวกหรือการลบของความร้อนจำนวนมากได้เนื่องจากโลก เงื่อนไขที่แตกต่างกัน นี่จะเป็นข้อกำหนดพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตใด ๆ ที่ประกอบด้วยน้ำเป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากสิ่งมีชีวิตที่มีขนาดใหญ่เกือบทั้งหมด สิ่งที่เป็น

ลองนึกภาพสนามกีฬาที่จุคนได้ 100,000 คน และอีกแห่งทั่วเมืองที่จุคนได้ 50,000 คน เมื่อมองแวบเดียว เป็นที่ชัดเจนว่า "ความจุที่นั่ง" ที่แน่นอนของสนามกีฬาแห่งแรกเป็นสองเท่าของที่นั่งที่สอง แต่ลองนึกภาพว่าสนามที่ 2 นั้นสร้างมาแบบกินเนื้อที่เท่านั้น หนึ่งในสี่ ของปริมาณครั้งแรก

ถ้าคุณใช้พีชคณิต คุณจะพบว่าสนามเล็กๆ ที่นั่งคนได้มากเป็นสองเท่า ต่อหน่วยพื้นที่ ขนาดใหญ่กว่า ทำให้เป็นสองเท่าของค่า "ที่นั่งเฉพาะ"

ในการเปรียบเทียบนี้ คิดว่าผู้ชมแต่ละคนเป็นหน่วยความร้อนที่มีขนาดเท่ากันซึ่งไหลเข้าและออกจากสนามกีฬา ในขณะที่สนามกีฬาขนาดใหญ่สามารถเก็บ "ความร้อน" โดยรวมได้สองเท่า แต่สนามกีฬาขนาดเล็กมีความจุเป็นสองเท่าในการ "เก็บ" เวอร์ชันนี้ของ "ความร้อน" ต่อพื้นที่หน่วย

หากแต่ละส่วนที่มีขนาดเท่ากันของทั้งสองสนามจะถือว่าสร้างขยะหลังเกมในปริมาณเท่ากันเมื่อเต็ม ไม่ว่าจะจุคนได้กี่คน ครอกที่เล็กกว่าจะมีประสิทธิภาพเป็นสองเท่าในการลดขยะ ของ รายบุคคล ผู้ชม; คิดว่านี่เป็นสองเท่าของความยืดหยุ่นต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นต่อหน่วยความร้อนที่เพิ่ม

จากนี้ คุณจะเห็นว่าถ้าวัตถุสองชิ้นที่มีความร้อนจำเพาะเท่ากันมีมวลต่างกัน วัตถุที่ใหญ่กว่าจะมีความจุความร้อนที่มากขึ้นตามปริมาณที่สเกลกับมวลของวัตถุนั้น เมื่อเปรียบเทียบวัตถุที่มีมวลต่างกันและความร้อนจำเพาะต่างกัน สถานการณ์จะซับซ้อนมากขึ้น

โลหะทองแดงมีความร้อนจำเพาะ 0.386 J/g⋅K ต้องใช้ความร้อนเท่าไรในการทำให้ทองแดง 1 กิโลกรัม (1,000 กรัมหรือ 2.2 ปอนด์) มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 0 °C เป็น 100 °C
Q = (m)(C)(ΔT) = (1,000 ก.)(0.386 J/g⋅K)(100 K) = 38,600 J = 38.6 kJ

อะไรคือ ความจุความร้อน ของทองแดงก้อนนี้? คุณต้องการ 38,600 J เพื่อเพิ่มมวลทั้งหมดขึ้น 100 K ดังนั้นคุณจะต้องใช้ 1 ใน 100 ของสิ่งนี้เพื่อดันขึ้น 1 K ดังนั้นความจุความร้อนของทองแดงในขนาดนี้คือ 386 J