Isı Kapasitesi Nasıl Hesaplanır

Alışılmadık derecede sıcak bir kış öğleden sonra donmuş bir göletin yüzeyinin yavaşça eridiğini izlerseniz ve aynı şeyin denizde meydana geldiğini izlerseniz. yakındaki iyi boyutta donmuş bir su birikintisinin yüzeyinde, her birindeki buzun yaklaşık aynı anda suya dönüştüğünü görebilirsiniz. oran.

Ama ya havuzun açıkta kalan yüzeyine düşen güneş ışığının tamamı, belki bir dönüm büyüklüğünde, aynı anda su birikintisinin yüzeyine odaklandıysa?

Sezginiz muhtemelen size su birikintisinin yüzeyinin çok çabuk eriyip suya dönüşeceğini değil, aynı zamanda tüm su birikintisi neredeyse anında su buharı haline gelebilir ve sıvı fazı atlayarak sulu hale gelebilir. gaz. Fakat fizik bilimi açısından bu neden böyle olsun ki?

Aynı sezgi muhtemelen size ısı, kütle ve buz, su veya her ikisinin sıcaklığındaki değişim arasında bir ilişki olduğunu söylüyor.

Olduğu gibi, durum budur ve fikir, her biri farklı özelliklere sahip olan diğer maddelere de uzanır. Eklendiğinde belirli bir miktara tepki olarak farklı sıcaklık değişimlerinde kendini gösterdiği gibi ısıya "dirençler" sıcaklık. Bu fikirler şu kavramları sunmak için birleşir:

Isı, fizikte enerji olarak bilinen niceliğin görünüşte sayısız biçimlerinden biridir. Enerji, kuvvet çarpı mesafe veya Newton-metre birimlerine sahiptir, ancak buna genellikle joule (J) denir. Bazı uygulamalarda, 4,18 J'ye eşit olan kalori standart birimdir; yine de diğerlerinde, btu veya İngiliz tema birimi günü yönetir.

Isı, daha sıcaktan daha soğuk alanlara, yani şu anda daha az ısı bulunan bölgelere "hareket etme" eğilimindedir. Isı tutulamaz veya görülemezken, büyüklüğündeki değişiklikler sıcaklıktaki değişikliklerle ölçülebilir.

Sıcaklık, bir su kabı veya bir gaz kabı gibi bir dizi molekülün ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Isı eklemek, bu moleküler kinetik enerjiyi ve dolayısıyla sıcaklığı yükseltirken, azaltırken sıcaklığı düşürür.

Bir joule neden 4.18 kaloriye eşittir? Kalori (cal), ısının SI birimi olmasa da metrik birimlerden türetilmiştir ve bir bakıma temeldir: ısı miktarı oda sıcaklığında bir gram suyu 1 K veya 1 °C yükseltmek için gereklidir. (Kelvin ölçeğinde 1 derecelik bir değişiklik, Celsius ölçeğinde 1 derecelik bir değişiklikle aynıdır; ancak ikisi yaklaşık 273 derece ile dengelenmiştir, öyle ki 0 K = 273.15 °C.)

• Gıda etiketlerindeki "kalori" aslında bir kilokaloridir (kcal), yani 12 onsluk şekerli soda kutusu yaklaşık 150.000 gerçek kalori içerir.

Su veya başka bir madde kullanarak deney yoluyla böyle bir şeyi belirlemenin yolu, belirli bir kütleyi bir Herhangi bir maddenin veya ısının tertibattan çıkmasına izin vermeden belirli bir miktarda ısı ekleyin ve değişimi ölçün. sıcaklık.

Maddenin kütlesini bildiğinize ve ısı ve sıcaklığın her yerde aynı olduğunu varsayabileceğinize göre, 1 gram gibi bir birim miktarın aynı oranda ne kadar ısı değiştireceğini basit bir bölme ile belirleyebilir. sıcaklık.

Isı kapasitesi formülü çeşitli biçimlerde gelir, ancak hepsi aynı temel denkleme karşılık gelir:

Q = mCΔT

Bu denklem basitçe, kapalı bir sistemin (sıvı, gaz veya katı) ısısındaki Q değişiminin malzeme) numunenin kütlesi m çarpı sıcaklık değişimi ΔT çarpı bir parametre C'ye eşittir aranan özgül ısı kapasitesi, ya da sadece özısı. C değeri ne kadar yüksek olursa, bir sistem aynı sıcaklık artışını korurken o kadar fazla ısı emebilir.

Isı kapasitesi, bir nesnenin sıcaklığını belirli bir miktarda (genellikle 1 K) artırmak için gereken ısı miktarıdır, dolayısıyla SI birimleri J/K'dir. Nesne tek tip olabilir veya olmayabilir. Çamur gibi bir madde karışımının ısı kapasitesini kabaca belirlemek mümkün olacaktır. kütlesini biliyordu ve bazılarının kapalı bir cihazda ısıtılmasına tepki olarak sıcaklık değişimini ölçtü. çeşit.

Kimya, fizik ve mühendislikte daha kullanışlı bir nicelik, özgül ısı kapasitesi C, birim kütle başına ısı birimi cinsinden ölçülür. Spesifik ısı kapasitesi birimleri, kilogram (kg) SI kütle birimi olmasına rağmen, genellikle gram-kelvin başına joule veya J/g⋅K'dir. Özgül ısının yararlı olmasının bir nedeni, tekdüze bir maddenin bilinen bir kütlesi varsa ve ısısını biliyor olmanızdır. kapasite, belirli deneysel çalışmalarda yangın risklerini önlemek için bir "soğutucu" olarak hizmet etmeye uygunluğunu değerlendirebilirsiniz. durumlar.

Su aslında çok yüksek bir ısı kapasitesine sahiptir. İnsan vücudunun, Dünya'nın etkisi sayesinde önemli miktarda ısının eklenmesini veya çıkarılmasını tolere edebilmesi gerektiğini göz önünde bulundurarak. Değişen koşullar, bu, büyük ölçüde sudan oluşan herhangi bir biyolojik varlığın temel bir gereksinimi olacaktır, çünkü hemen hemen tüm büyük canlılar şeyler.

100.000 kişilik bir spor stadyumu ve şehir genelinde 50.000 kişilik bir başka stadyum düşünün. Bir bakışta, ilk stadyumun mutlak "koltuk kapasitesinin" ikincinin iki katı olduğu açıktır. Ama aynı zamanda, ikinci stadyumun sadece tek bir yer kaplayacak şekilde inşa edildiğini hayal edin. dörtte bir birincisinin hacmi.

Cebiri yaparsanız, daha küçük stadyumun aslında iki kat daha fazla insanı barındırdığını görürsünüz. birim alan başına daha büyük olanı olarak, ona "belirli koltuk" değerinin iki katını verir.

Bu benzetmede, seyircileri stadyuma giren ve çıkan aynı büyüklükteki ısı birimleri olarak düşünün. Daha büyük stadyum genel olarak iki kat daha fazla "ısı" tutabilirken, daha küçük stadyum aslında birim alan başına bu "ısı" versiyonunu "depolama" kapasitesine sahiptir.

Her iki stadyumun aynı büyüklükteki bölümlerinin dolduğunda aynı miktarda oyun sonrası çöp ürettiği varsayılırsa, kaç kişi tuttuğuna bakılmaksızın, daha küçük olan çöpü azaltmada iki kat daha etkili olacaktır. nın-nin bireysel Seyirciler; Bunu, eklenen ısı birimi başına sıcaklık artışlarına iki kat daha dayanıklı olduğunu düşünün.

Buradan, aynı özgül ısıya sahip iki nesnenin farklı kütleleri varsa, daha büyük olanın, ne kadar daha büyük olduğuyla orantılı olarak daha büyük bir ısı kapasitesine sahip olacağını görebilirsiniz. Farklı kütlelere ve farklı özgül ısılara sahip nesneleri karşılaştırırken durum daha karmaşık hale gelir.

Metal bakırın özgül ısısı 0,386 J/g⋅K'dir. 1 kg (1.000 g veya 2,2 pound) bakırın sıcaklığını 0 °C'den 100 °C'ye yükseltmek için ne kadar ısı gerekir?
Q = (m)(C)(ΔT) = (1.000 g)(0.386 J/g⋅K)(100 K) = 38.600 J = 38.6 kJ.

Nedir ısı kapasitesi bu bakır parçasından mı? Tüm kütleyi 100 K artırmak için 38.600 J'ye ihtiyacınız var, yani 1 K kadar dürtmek için bunun 1/100'üne ihtiyacınız var. Böylece bu boyuttaki bakırın ısı kapasitesi 386 J'dir.