Isı Kapasitesi Nedir?

Isı kapasitesi fizikte, sıcaklığını 1 santigrat derece artırmak için bir maddeye ne kadar ısı eklenmesi gerektiğini açıklayan bir terimdir. Bu, aşağıdakilerle ilgilidir, ancak bunlardan farklıdır: özısıbir maddenin tam olarak 1 gramını (veya başka bir sabit kütle birimini) 1 santigrat derece yükseltmek için gereken ısı miktarıdır. Bir maddenin öz ısısından S ısı kapasitesini C türetmek, maddenin miktarı ile çarpma işlemidir. mevcut olan ve aynı kütle birimlerini kullandığınızdan emin olun. sorun. Isı kapasitesi, basit bir ifadeyle, bir nesnenin ısı enerjisinin eklenmesiyle ısınmaya direnme yeteneğinin bir göstergesidir.

Madde katı, sıvı veya gaz olarak var olabilir. Gazlar durumunda, ısı kapasitesi hem ortam basıncına hem de ortam sıcaklığına bağlı olabilir. Bilim adamları genellikle sabit bir basınçta bir gazın ısı kapasitesini bilmek isterken, sıcaklık gibi diğer değişkenlerin değişmesine izin verilir; bu C olarak bilinir_p. Benzer şekilde, bir gazın sabit bir hacimdeki ısı kapasitesini veya C'yi belirlemek faydalı olabilir.

Isı kapasitesi ve özgül ısı tartışmasına başlamadan önce, ısı transferinin temellerini anlamakta fayda var. fizikte ve genel olarak ısı kavramında ve disiplinin bazı temel denklemlerini öğrenin.

Termodinamik bir sistemin işi ve enerjisi ile ilgilenen fizik dalıdır. İş, enerji ve ısı, farklı anlam ve uygulamalara sahip olmalarına rağmen fizikte aynı birimlere sahiptir. SI (standart uluslararası) ısı birimi joule'dür. İş, kuvvetin mesafeyle çarpımı olarak tanımlanır, bu nedenle, bu niceliklerin her biri için SI birimleri göz önüne alındığında, bir joule, bir Newton-metre ile aynı şeydir. Isı için karşılaşabileceğiniz diğer birimler arasında kalori (cal), İngiliz ısı birimleri (btu) ve erg bulunur. (Gıda beslenme etiketlerinde gördüğünüz "kalori"nin aslında kilokalori olduğuna dikkat edin, "kilo-" Yunanca "bin" anlamına gelen ön ektir; bu nedenle, diyelim ki 12 onsluk bir gazoz kutusunun 120 "kalori" içerdiğini gözlemlediğinizde, bu aslında resmi fiziksel terimlerle 120.000 kaloriye eşittir.)

Gazlar sıvılardan ve katılardan farklı davranırlar. Bu nedenle, çalışmalarında doğal olarak hava ve diğer gazların davranışlarıyla çok ilgilenen aerodinamik ve ilgili disiplinler dünyasındaki fizikçiler yüksek hızlı motorlar ve uçan makineler ile ilgili olarak, bu konudaki madde ile ilgili ısı kapasitesi ve diğer ölçülebilir fiziksel parametreler hakkında özel endişeler vardır. durum. Bir örnek entalpi, kapalı bir sistemin iç ısısının bir ölçüsüdür. Sistemin enerjisinin toplamı ile basınç ve hacminin çarpımıdır:

H = E + PV

Daha spesifik olarak, entalpideki değişiklik, aşağıdaki ilişki ile gaz hacmindeki değişiklik ile ilgilidir:

∆H = E + P∆V

Yunan sembolü ∆ veya delta, fizik ve matematikte geleneksel olarak "değişim" veya "farklılık" anlamına gelir. Ek olarak, basınç çarpı hacmin iş birimlerini verdiğini doğrulayabilirsiniz; basınç Newton/m olarak ölçülür², hacim m cinsinden ifade edilebilirken³.

Ayrıca, bir gazın basıncı ve hacmi aşağıdaki denklemle ilişkilidir:

P∆V = R∆T

burada T sıcaklıktır ve R, her gaz için farklı bir değere sahip bir sabittir.

Bu denklemleri belleğe kaydetmeniz gerekmez, ancak bunlar daha sonra C ile ilgili tartışmada tekrar ele alınacaktır._p ve C_v.

Belirtildiği gibi, ısı kapasitesi ve özgül ısı ilgili miktarlardır. İlki aslında ikincisinden doğar. Özgül ısı bir durum değişkenidir, yani ne kadarının mevcut olduğuyla değil, yalnızca bir maddenin içsel özellikleriyle ilgilidir. Bu nedenle birim kütle başına ısı olarak ifade edilir. Isı kapasitesi ise söz konusu maddenin ne kadarının ısı transferine uğradığına bağlıdır ve bir durum değişkeni değildir.

Her maddenin kendisiyle ilişkili bir sıcaklığı vardır. Bir nesneyi fark ettiğinizde aklınıza gelen ilk şey bu olmayabilir ("Bu kitabın ne kadar sıcak olduğunu merak ediyorum?"), ama yol boyunca, bilim adamlarının, acı verici bir şekilde gelmelerine rağmen hiçbir koşulda mutlak sıfır sıcaklığına ulaşamadıklarını öğrendim kapat. (İnsanların böyle bir şey yapmayı amaçlamasının nedeni, aşırı soğuk malzemelerin son derece yüksek iletkenlik özellikleriyle ilgilidir; hemen hemen hiç direnci olmayan bir fiziksel elektrik iletkeninin değerini düşünün.) Sıcaklık, moleküllerin hareketinin bir ölçüsüdür. Katı malzemelerde madde bir kafes veya ızgara şeklinde düzenlenmiştir ve moleküller serbestçe hareket edemezler. Bir sıvıda, moleküller hareket etmekte daha serbesttir, ancak yine de büyük ölçüde kısıtlanmıştır. Bir gazda moleküller çok serbestçe hareket edebilir. Her halükarda, düşük sıcaklığın çok az moleküler hareket anlamına geldiğini unutmayın.

Kendiniz de dahil olmak üzere bir nesneyi bir fiziksel konumdan diğerine taşımak istediğinizde, bunu yapmak için enerji harcamalı veya alternatif olarak iş yapmalısınız. Ayağa kalkıp bir odayı geçmeniz veya bir arabanın gaz pedalına basarak motorundan yakıtı geçirmeniz ve arabayı hareket etmeye zorlamanız gerekir. Benzer şekilde, mikro düzeyde, moleküllerini hareket ettirmek için bir sisteme enerji girişi gereklidir. Bu enerji girişi, moleküler harekette bir artışa neden olmak için yeterliyse, o zaman yukarıdaki tartışmaya göre, bu, maddenin sıcaklığının da arttığı anlamına gelir.

Farklı ortak maddeler geniş ölçüde değişen özgül ısı değerlerine sahiptir. Örneğin metaller arasında altın 0,129 J/g °C'de kontrol edilir, yani 0,129 jul ısı 1 gram altının sıcaklığını 1 santigrat derece yükseltmek için yeterlidir. Unutmayın, bu değer mevcut altın miktarına göre değişmez, çünkü kütle belirli ısı birimlerinin paydasında zaten hesaba katılmıştır. Yakında keşfedeceğiniz gibi, ısı kapasitesi için durum böyle değildir.

Fiziğe giriş seviyesindeki birçok öğrenciyi suyun özgül ısısı olan 4.179'un adi metallerinkinden çok daha yüksek olması şaşırtıyor. (Bu makalede, tüm özgül ısı değerleri J/g °C olarak verilmiştir.) Ayrıca, buzun ısı kapasitesi, 2.03, her ikisi de H'den oluşsa bile suyunkinin yarısından azdır.₂Ö. Bu, bir bileşiğin sadece moleküler yapısının değil, durumunun da özgül ısısının değerini etkilediğini gösterir.

Her halükarda, 150 g demirin (özgül ısısı veya S'si 0,450 olan) sıcaklığını 5 C artırmak için ne kadar ısı gerektiğini belirlemenizin istendiğini varsayalım. Bu konuda nasıl hareket edersin?

Hesap çok basit; özgül ısıyı S malzeme miktarı ve sıcaklıktaki değişim ile çarpın. S = 0.450 J/g °C olduğundan, J cinsinden eklenmesi gereken ısı miktarı (0.450)(g)(∆T) = (0.450)(150)(5) = 337.5 J'dir. Bunu ifade etmenin başka bir yolu, 150 g demirin ısı kapasitesinin 67,5 J olduğunu söylemektir; bu, mevcut maddenin kütlesi ile çarpılan özgül ısı S'den başka bir şey değildir. Açıktır ki, sıvı suyun ısı kapasitesi belirli bir sıcaklıkta sabit olsa bile, çok daha fazla ısı alacaktır. Büyük Göllerden birini, bir litre suyu 1 derece, hatta 10 veya hatta ısıtmak için gerekenden onda bir derece ısıtır. 50.

Bir önceki bölümde, gazlar için koşullu ısı kapasiteleri fikriyle tanıştırıldınız, yani ısı kapasitesi değerleri, sıcaklık (T) veya basıncın (P) sabit tutulduğu koşullar altında belirli bir maddeye uygulanır. sorun. Ayrıca ∆H = E + P∆V ve P∆V = R∆T temel denklemleri de verildi.

Son iki denklemden, entalpideki değişimi ifade etmenin başka bir yolunun, ∆H olduğunu görebilirsiniz:

E + R∆T

Burada herhangi bir türetme sağlanmasa da, termodinamiğin birinci yasasını ifade etmenin bir yolu, kapalı sistemler ve halk arasında "Enerji ne yaratılır ne de yok edilir" şeklinde ifade edildiğini duymuş olabilirsiniz. dır-dir:

∆E = C_v∆T

Basit bir dille, bu, bir gaz içeren bir sisteme belirli bir miktarda enerji eklendiğinde ve bu gazın hacminin değişmesine izin verilmediğinde (C'deki V alt simgesiyle gösterilir) anlamına gelir._v), sıcaklığı, o gazın ısı kapasitesinin değeri ile doğru orantılı olarak artmalıdır.

Bu değişkenler arasında, sabit basınçta ısı kapasitesinin türetilmesine izin veren başka bir ilişki vardır, C_p, sabit hacim yerine Bu ilişki, entalpiyi tanımlamanın başka bir yoludur:

∆H = C_p∆T

Cebirde ustaysanız, C arasında kritik bir ilişkiye ulaşabilirsiniz._v ve C_p:

C_p = C_v + R

Yani, bir gazın sabit basınçtaki ısı kapasitesi, sabit hacimdeki ısı kapasitesinden, incelenen gazın spesifik özellikleriyle ilgili bir sabit R kadar büyüktür. Bu sezgisel bir anlam ifade eder; Artan iç basınca tepki olarak genleşmesine izin verilen bir gaz hayal ederseniz, muhtemelen algılayabilirsiniz. belirli bir enerji ilavesine tepki olarak, aynı enerjiyle sınırlı olduğundan daha az ısınması gerekeceğini Uzay.

Son olarak, C'nin oranı olan başka bir maddeye özgü değişken olan γ'yi tanımlamak için tüm bu bilgileri kullanabilirsiniz._p C'ye_vveya C_p/C_v. Daha yüksek R değerlerine sahip gazlar için bu oranın arttığını önceki denklemden görebilirsiniz.

C_p ve C_v Hava (çoğunlukla nitrojen ve oksijen karışımından oluşan) insanların karşılaştığı en yaygın gaz olduğundan, havanın her ikisi de akışkanlar dinamiği çalışmasında önemlidir. Her ikisi de C_p ve C_v sıcaklığa bağlıdır ve tam olarak aynı ölçüde değildir; olduğu gibi, C_v artan sıcaklıkla biraz daha hızlı yükselir. Bu, "sabit" y'nin aslında sabit olmadığı, ancak bir dizi olası sıcaklıkta şaşırtıcı bir şekilde yakın olduğu anlamına gelir. Örneğin, 300 derece Kelvin'de veya K'de (27 C'ye eşittir), γ değeri 1.400'dür; 127 C olan ve suyun kaynama noktasının oldukça üzerinde olan 400 K sıcaklıkta, γ değeri 1.395'tir.