Kalorimetrenin Kazandığı Isı Nasıl Hesaplanır?

Hayatınızın bir noktasında, muhtemelen ne olduğunu merak etmişsinizdir. kalori belirli bir gıda için bir beslenme bilgisi etiketine baktıktan sonra. Birçok insanın bu tür etiketleri taradıklarında daha düşük sayılar görmeyi sevdiği bir şeyin dışında, kalori nedir?

Ve eğer gerçekte olan buysa, "kaloriler" canlı sistemlere nasıl kütle ekler? Ve belirli bir öğe için listelenen kalori sayısının - bu değer güven verici veya moral bozucu olsun - doğru bir şekilde belirlendiğinden nasıl emin olabilirsiniz?

Sıcaklık muhtemelen kendi iyi seçilmiş birkaç kelimenizle iyi tanımlayabileceğiniz ortam dünyasının birçok özelliğinden biridir, ancak fizik bilimlerinde daha odaklı bir anlamı vardır. Kalori, joule (J) ve İngiliz ısı birimi (btu) gibi bir ısı ölçüsüdür. Isı değişimi çalışması, olarak bilinen bir fizik bilimi dalıdır. kalorimetre, bu da adı verilen cihazlara dayanır. kalorimetreler.

Sezgisel olarak, dondurma ve peynirli kek gibi soğutulmuş veya dondurulmuş yiyeceklerin, sözde ısıtılan şeylerin çoğunu küçük bir porsiyona sığdırmasını garip bulabilirsiniz. Ayrıca, kaloriler bir şekilde ısıya dönüşüyorsa, daha fazlasını sağlayan yiyecekler aslında kiloya yol açmamalı mı?

Bunlar iyi sorular ve bu makalenin geri kalanını "yaktıktan" sonra, bir sonraki kalorimetri laboratuvarınıza veya spor-beslenme tartışmanıza götürmek için bu yanıtları ve çok daha fazlasını alacaksınız.

Isı esas olarak şu şekilde düşünülebilir: Termal enerji. Diğer enerji türleri gibi, birimleri vardır. joule (veya SI olmayan birimlerdeki eşdeğeri). Isı, doğrudan ölçülmesi zor olduğu için anlaşılması zor bir niceliktir. Bunun yerine, bir sistemin ısı kazanıp kazanmadığını belirlemek için kontrollü deney koşulları altında sıcaklıktaki değişiklikler kullanılabilir.

Isının enerji olarak ele alınması gerçeği, onu takip etmenin matematiksel olarak basit bir egzersiz olduğu anlamına gelir. deneyler bazen hiçbir ısı enerjisinin kaçmadığı ve ölçümden kaçtığı koşulları oluşturmayı zorlaştırıyorsa. Ancak, aşağıdaki gibi temel gerçekler nedeniyle enerji korunumu yasası, ısı tablosu prensipte oldukça basittir.

Bu maddenin sabit bir miktarına belirli bir miktarda ısı eklendiğinde, malzemelerin değişen sıcaklıklara karşı farklı direnç seviyeleri vardır. Yani, 1 kilogram A maddesi ve 1 kilogram B maddesi alıp her birine aynı miktarda ısı eklediyseniz ve hiçbir ısının çıkmasına izin verilmediyse sistemA'nın sıcaklığı, B maddesinin sıcaklığının yalnızca beşte biri kadar artabilir.

Bu, A maddesinin bir özısı A maddesinin beş katı, aşağıda ayrıntılı olarak incelenecek bir kavram.

Besin etiketlerinde listelenen "kalori" aslında bir kilokalori veya kcal'dir. Gerçekte, tipik bir kutu şekerli soda, günlük iletişimde bir kalori olarak ifade edilen yaklaşık 120.000 kaloriye sahiptir.

• kalori uygun bir şekilde, ısı için Latince kelimedir.

Kalori yaklaşık 4,184 J'ye eşittir, yani gıda etiketlerinde kalori olarak işlenen kcal, 4,184 J veya 4,184 kJ'ye eşittir. Fizik biliminde enerji harcama hızına (joule/saniye) güç denir ve SI birimi watt (W), 1 J/s'ye eşittir. Bu nedenle bir kcal, yaklaşık 12 saniye boyunca 0,35 ila 0,4 kW (350 J/s) arasında vızıldayan bir sisteme güç sağlamak için yeterli bir enerji miktarıdır:

P = E/t, yani t = E/P = 4.186 kJ/(0.35 kJ/s) = 12,0.

• Bisikletçi veya koşucu gibi eğitimli bir dayanıklılık sporcusu, uzun süreler boyunca böyle bir güç çıkışını sürdürebilir. Teoride, 100 kalorili (100 kcal) bir enerji içeceği, bir Olimpik yol bisikletçisini veya maraton koşucusunu yaklaşık 100 kez 12 saniye veya 20 dakika devam ettirebilir. İnsan sistemi mekanik olarak neredeyse yüzde 100 verimli olmadığı için, bu süre boyunca tam aerobik kapasiteye yakın bir şekilde çalışması için aslında 300 kcal'den fazlasına ihtiyaç duyar.
  

kalori 1 gram suyun sıcaklığını 1 santigrat derece artırmak için gereken ısı miktarı olarak tanımlanır. Bununla ilgili bir problem, H'nin bulunduğu sıcaklık aralığı boyunca sıcaklıktaki suyun c'sinde hafif bir değişiklik olmasıdır.₂O bir sıvıdır. "Özgül ısı"daki "özgül", yalnızca belirli malzemeleri değil, belirli bir sıcaklığı ifade eder.

• Çoğu malzemenin özgül ısıları 20'de verilmiştir.

  °C veya 25 °C.

Teknik olarak, "ısı kapasitesi" ve "özgül ısı kapasitesi" terimleri, bunların daha az titiz kaynaklarda birbirinin yerine kullanıldığını görseniz bile farklı anlamlara gelir.

Isı kapasitesi, başlangıçta tüm bir nesneyi (birden fazla malzemeden yapılmış olabilir) belirli bir miktarda ısıtmak için gereken ısı miktarına basitçe atıfta bulunur. Özgül ısı kapasitesi, sıcaklığı 1 gram yükseltmek için gereken ısı miktarını ifade eder. belirli bir malzemeden 1 santigrat derece veya Kelvin (°C veya K).

• Celsius ve Kelvin sıcaklık ölçekleri aynı olmasa da, sabit bir miktarda farklıdırlar, °C + 273 = K gibi, burada K negatif olamaz. Bu, Fahrenheit-Celsius ara dönüşümlerinden farklı olarak, bir ölçekte sıcaklıktaki belirli bir sayısal değişimin diğerinde aynı büyüklükte değişim ürettiği anlamına gelir.

"Özgül ısı kapasitesini" "ısı kapasitesi" olarak kısaltmak yerine, terimini kullanın. özısı, saygın kaynaklarda konvansiyon olduğu gibi.

amacı kalorimetre Ekzotermik kimyasal reaksiyon gibi bazı işlemlerde açığa çıkan ve aksi takdirde çevreye kaybolacak olan ısıyı yakalamaktır. Sistemin sıcaklık değişimi ve kalorimetre tertibatının kütlesi ve özgül ısısı bilindiğinde, proses tarafından sisteme verilen ısı miktarı belirlenebilir. Örnekler bir sonraki bölümde verilmiştir.

Bir kalorimetre, yalıtkan olmaları koşuluyla (yani, ısı transferine izin vermemek; Terim aynı zamanda elektromanyetizmada elektrik yükü aktarımına karşı direnci belirtmek için de kullanılır).

Yaygın bir versiyon, bir strafor kap ve iyi oturan bir kapaktan yapılabilir. Bu kahve fincanı kalorimetresinde, çözücü olarak genellikle su kullanılır ve bir termometre ve (gerekirse) karıştırma çubuğu, fincanın kapağındaki küçük deliklerden rahatça geçirilir.

Kapalı bir sistemin ısısındaki değişim (bir kalorimetre durumunda tanım gereği pozitif) ile verilir. sistemin kütlesinin ürünü, kalorimetrenin ısı kapasitesi ve sistemin sıcaklığındaki değişim sistem:

Nerede:

• Q = joule (J) cinsinden yayılan ısı (soğurulan ısı - açığa çıkan ısıya eşit)
• m = kilogram cinsinden kütle (kg)
• c = J/kg⋅°C (veya J/kg⋅K) cinsinden özgül ısı kapasitesi
• ∆T = °C (veya K) cinsinden sıcaklık değişimi

Kalorimetrede meydana gelen ekzotermik (ısı açığa çıkaran) kimyasal reaksiyon ne olursa olsun serbest kalan ısı normalde çevreye dağılır. Bu, termodinamik bir nicelik olarak bilinen bir değişikliğe kadar tebeşirlenen bir kayıptır. entalpi hem sistemin iç enerjisini hem de sistemin basınç-hacim ilişkisindeki değişiklikleri açıklar. Bu ısı bunun yerine çözücü ile kabın kapağı arasında tutulur.
Daha önce, enerjinin korunumu fikri tanıtıldı. Çünkü kalorimetreye giren ısı, reaktanlardan oluşan kalorimetre içinde sistem tarafından açığa çıkan ısıya eşit olmalıdır. ürünlerin kendileri için, bu sistem için ısı değişiminin işareti negatiftir ve tarafından kazanılan ısı ile aynı büyüklüğe sahiptir. kalorimetre.

Yukarıdaki ve ilgili ifadeler, kalorimetreden yalnızca hiçbir ısının veya ihmal edilebilir miktarda ısının kaçmadığını varsaymaktadır. Yalıtım olmadığında ısı daha sıcak alanlardan daha soğuk alanlara doğru hareket eder, bu nedenle uygun yalıtım olmadan ısı dışarı çıkar. ortam sıcaklığı, ortam sıcaklığından daha sıcak olmadıkça, ortam ortamı için kalorimetre tertibatı kalorimetre.

Aşağıdaki çizelge, yaygın olarak karşılaşılan bazı element ve bileşiklerin J/kg⋅°C cinsinden özgül ısısını içerir.

• H₂O, buz: 2.108
• H₂O, su: 4.184
• H₂O, su buharı: 2.062
• Metanol: 2.531
• Etanol: 2.438
• Benzen: 1.745
• Karbon, grafit: 0.709
• Karbon, elmas: 0,509
• Alüminyum: 0.897
• Demir: 0.449
• Bakır: 0.385
• Altın: 0.129

• Merkür: 0.140

• Sofra tuzu (NaCl): 0.864

• Kuvars: 0.742
• Kalsit: 0.915

Suyun alışılmadık derecede büyük bir ısı kapasitesine sahip olduğunu unutmayın. Bir gram suyun, aynı miktarda ilave ısı verildiğinde bir gram suyun onda birinden daha az ısınması belki de mantığa aykırıdır, ancak bu, gezegendeki yaşam için önemlidir.

Vücudunuzun yaklaşık dörtte üçünü oluşturan su, çevre sıcaklığındaki büyük dalgalanmaları tolere edebilmenizi sağlar. Daha geniş anlamda, okyanuslar, dünya çapında sıcaklıkları dengelemeye yardımcı olmak için ısı rezervuarı görevi görür.

Artık kalorimetreleri içeren bazı hesaplamalar için hazırsınız.
Örnek 1: İlk olarak, bir gram sodyum hidroksitin (NaOH) 25 °C'de 50 mL suda çözüldüğü basit durumu ele alalım. Bu sıcaklıktaki suyun ısı kapasitesini 4.184 J/kg⋅°C alın ve 50 mL suyun kütlesinin 50 gram veya 0.05 kg olduğunu düşünün. Çözeltinin sıcaklığı 30.32 °C'ye çıkarsa, kalorimetre ne kadar ısı kazanır?

Q = mc∆T = (0,05 kg)(4,184 kJ/kg⋅°C)(30,32 − 5,32 °C) var

= 1.113 kJ veya 1,113 J.

Örnek 2: Şimdi, zamanla daha popüler hale gelen bir ev güneş enerjisi depolama ünitesi durumunu düşünün. Bu cihazın termal enerjiyi depolamak için 400 L su kullandığını varsayın.
Açık bir yaz gününde, suyun ilk sıcaklığı 23.0 °C'dir. Gün boyunca suyun sıcaklığı, ünitenin "su duvarı" içinde dolaşırken 39.0 °C'ye yükselir. Suda ne kadar enerji depolandı?

Yine, suyun kütlesinin 400 kg olduğunu, yani bu sıcaklık aralığında suyun yoğunluğunun tam olarak 1.0 olarak kabul edilebileceğini varsayalım (bu bir basitleştirmedir).

Bu seferki faiz denklemi:

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

= 26.778 J = 26.78 kJ.

Bu, 1,5 kW'lık bir ısıtıcıyı yaklaşık 17 saniye çalıştırmak için yeterli enerjidir:

(26,78 kJ)(kW/(kJ/s)/(1,5 kW) = 17,85 s

Büyük olasılıkla, bir güneş evinde yaşıyorlarsa, ev sahipleri bunun için farklı bir kullanım planlamıştır.

Btu/lb gibi olağandışı ancak tamamen sönmemiş birimler de dahil olmak üzere belirli ısı birimleri arasında kolayca dönüştürme yapmanızı sağlayan çevrimiçi hesaplayıcıları kullanabilirsiniz._m^ÖF.