Специфична топлина в какво се състои, как се изчислява и примери

на специфична топлина е количеството енергия, което един грам от дадено вещество трябва да абсорбира, за да повиши температурата му с един градус по Целзий. Това е интензивно физическо свойство, тъй като не зависи от това дали масата трябва да се изрази само за грам вещество; Въпреки това, тя е свързана с броя на частиците и моларната маса на частиците, както и с междумолекулните сили, които ги свързват..

Количеството енергия, абсорбирана от веществото, се изразява в единици джаул (J) и по-рядко в калории (Cal). Като цяло се приема, че енергията се абсорбира чрез топлина; въпреки това, енергията може да дойде от друг източник, като например работата по веществото (строга възбуда, например).

Горното изображение показва чайник, от който се освобождават водните пари, генерирани от неговото нагряване. За да загрее водата, тя трябва да абсорбира топлината от пламъка, намиращ се под чайника. По този начин, с течение на времето, и в зависимост от интензивността на огъня, водата ще заври, когато достигне своята точка на кипене.

Специфичната топлина определя колко енергия консумира водата за всяка градуса ° C, която повишава нейната температура. Тази стойност е постоянна, ако в един и същ чайник се загряват различни обеми вода, тъй като, както е споменато в началото, тя е интензивна собственост..

Това, което варира, е общото количество енергия, погълнато от всяко нагрято тяло на водата, известно още като топлинен капацитет. Колкото по-голяма е масата на водата, която трябва да се нагрява (2, 4, 10, 20 литра), толкова по-голяма е нейната топлинна мощност; но специфичната му топлина е все още същата.

Това свойство зависи от налягането, температурата и обема; въпреки това, за целите на простото разбиране, техните съответни варианти са пропуснати.

индекс

• 1 Каква е специфичната топлина??
• 2 Как се изчислява специфичната топлина?
  • 2.1 Вода като еталон
  • 2.2 Термично равновесие
  • 2.3 Математическо развитие
  • 2.4 Пример за изчисление
• 3 Примери
  • 3.1 Вода
  • 3.2 Лед
  • 3.3 Алуминий
  • 3.4 Желязо
  • 3.5 Въздух
  • 3.6 Сребро
• 4 Препратки

Каква е специфичната топлина?

Беше определено каква е специфичната топлина, предназначена за дадено вещество. Неговото истинско значение обаче най-добре се изразява с формулата, която ясно показва чрез своите единици, какви са разрешенията при анализа на променливите, от които зависи. Формулата му е:

Ce = Q / ΔT m

Където Q е абсорбираната топлина, ΔT температурната промяна, а m е масата на веществото; че според дефиницията съответства на един грам. Правейки анализ на вашите единици:

Ce = J / ° C · g

Което може да се изрази и по следните начини:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ° C · Kg

Първият е най-простият и именно с него примерите ще бъдат разгледани в следващите раздели.

Формулата изрично посочва количеството енергия, абсорбирана (J) от един грам вещество с една градуса C. Ако искате да изчистите това количество енергия, ще трябва да оставите настрана уравнението J:

J = Ce · ° C · g

Това, изразено по по-подходящ начин и според променливите, ще бъде:

Q = Ce · ΔT · m

Как се изчислява специфичната топлина?

Вода като отправна точка

В предишната формула 'm' не представлява грам вещество, тъй като вече е имплицитно в Се.Тази формула е много полезна за изчисляване на специфичните топлини на различни вещества чрез калориметрия..

Как? Използвайки определението за калории, което е количеството енергия, необходимо за загряване на грам вода от 14.5 до 15.5 ° C; Това е равно на 4,184 J.

Специфичната топлина на водата е необичайно висока, и това свойство се използва за измерване на специфичните топлини на други вещества, които знаят стойността на 4.184 J.

Какво означава, че специфичната топлина е висока? Това се противопоставя на значителна съпротива за повишаване на температурата, така че тя трябва да абсорбира повече енергия; водата трябва да се отоплява много по-дълго в сравнение с други вещества, които в близост до топлинен източник се загряват почти веднага.

Поради тази причина водата се използва при калориметричните измервания, тъй като не се наблюдават резки промени на температурата при поглъщане на енергията, отделена от химическите реакции; или, в този случай, контакт с друг горещ материал.

Термичен баланс

Тъй като водата трябва да поеме много топлина, за да повиши температурата си, топлината може да идва от горещ метал, например. Като се вземат предвид масите на вода и метал, обмен на топлина между двата ще се случи до достигане на така нареченото термично равновесие.

Когато това се случи, температурата на водата и метала се изравнява. Топлината, отделяна от горещия метал, е равна на тази, погълната от водата.

Математическо развитие

Знаейки това, и с последната описана формула за Q имаме:

Q_вода= -Q_метал

Отрицателният знак показва, че топлината се отделя от най-горещото тяло (метал) до най-студеното тяло (вода). Всяко вещество има своя специфична топлина Ce и нейната маса, така че този израз трябва да се развие, както следва:

Q_вода = Ce_вода · T_вода · М_вода = - (Ce_метал · T_метал · М_метал)

Неизвестното е Ce_метал, тъй като в термичното равновесие крайната температура за водата и за метала е еднаква; В допълнение, първоначалните температури на водата и метала са известни преди контакта, както и техните маси. Затова трябва да изчистим Се_метал:

ЕО_метал = (Ce_вода · T_вода · М_вода/ / -Т_метал · М_метал)

Без да забравяме Се_вода тя е 4,184 J / ° C · g. Ако ΔT са разработени_вода и Т_метал, тя ще бъде (Т_F - T_вода) и (Т_F - T_метал), съответно. Водата се загрява, докато металът се охлажда и следователно отрицателният знак се умножава до ΔT_метал престой (Т_метал - T_F). В противен случай ΔT_метал би имало отрицателна стойност за T_F незначителни (по-студени) от Т_метал.

След това уравнението най-накрая се изразява по следния начин:

ЕО_метал = Ce_вода · (Т_F - T_вода) · M_вода/ (Т_метал - T_F) · M_метал

И с него се изчисляват специфичните загрявания.

Пример за изчисление

Той има сфера от странен метал, който тежи 130g и с температура 90ºC. Той се потапя във воден съд от 100g при 25ºC, вътре в калориметър. Когато термичното равновесие е достигнато, температурата на контейнера става 40 ° С. Изчислете металния Ce.

Крайната температура, Т_F, Тя е 40ºC. Знаейки другите данни, можете да определите директно Ce:

ЕО_метал = (4.184 J / ° C · g · (40 - 25) ° C · 100g) / (90 - 40) ° C · 130g

ЕО_метал = 0.965 J / ° C · g

Имайте предвид, че специфичната топлина на водата е около четири пъти по-голяма от тази на метала (4.184 / 0.965).

Когато Ce е много малък, толкова по-голяма е тенденцията за затопляне; което е свързано с неговата топлопроводимост и дифузия. Металът с по-висока Ce ще има тенденция да освобождава или губи повече топлина, когато влезе в контакт с друг материал, в сравнение с друг метал с по-ниска температура.

Примери

По-долу са показани специфични топлини за различни вещества.

вода

Специфичната топлина на водата, както беше казано, е 4.184 J / ° C · g.

Благодарение на тази стойност, тя може да направи много слънце в океана и водата трудно ще се изпари до значителна степен. Това води до топлинна разлика, която не засяга морския живот. Например, когато отидете на плажа, за да плувате, дори и да е слънчево навън, можете да усетите по-ниска, по-ниска температура във водата.

Горещата вода също трябва да освободи много енергия, за да се охлади. По време на процеса то загрява циркулиращите въздушни маси, увеличавайки малко температурите (умерено) в крайбрежните райони по време на зимата..

Друг интересен пример е, че ако не сме били образувани от вода, един ден на слънце би могъл да бъде смъртоносен, защото температурите на нашите тела биха се увеличили бързо.

Тази уникална стойност на Ce се дължи на междумолекулните водородни мостове. Те абсорбират топлината, за да се счупят, така че те съхраняват енергия. Докато не се счупят, водните молекули не могат да вибрират, увеличавайки средната кинетична енергия, която се отразява в повишаване на температурата..

лед

Специфичната топлина на леда е 2,090 J / ° C · g. Както водата, тя има необичайно висока стойност. Това означава, че един айсберг например ще трябва да поеме огромно количество топлина, за да повиши температурата си. Някои днешни айсберги дори са абсорбирали топлината, необходима за топене (латентна топлина на синтез).

алуминий

Специфичната топлина на алуминия е 0.900 J / ºC · g. Той е малко по-нисък от метала на сферата (0.965 J / ° C · g). Тук топлината се абсорбира, за да вибрира металните атоми на алуминия в неговите кристални структури, а не отделни молекули, присъединени с междумолекулни сили..

желязо

Специфичната топлина на желязото е 0,444 J / ° C · g. Тъй като е по-малко от алуминия, това означава, че се противопоставя на по-малко съпротивление при нагряване; това означава, че преди пожар парче желязо ще стане червено горещо дълго преди алуминиева част.

Алуминият, за разлика от отоплението, запазва храната по-дълга, когато известната алуминиево фолио се използва за увиване на закуски.

въздух

Специфичната топлина на въздуха е приблизително 1.003 J / ° C · g. Тази стойност е подложена на натиск и температура, защото се състои от газова смес. Тук топлината се абсорбира, за да вибрира молекулите на азот, кислород, въглероден диоксид, аргон и др..

сребърен

И накрая, специфичната топлина за среброто е 0,234 J / ° C · g. От всички споменати вещества има най-ниската стойност на Ce.Това означава, че преди желязото и алуминия, парче сребро ще нагрее много повече в същото време, както и другите два метала. Всъщност той хармонизира с високата си топлопроводимост.

препратки

1. Serway & Jewett. (2008 г.). Физика: за наука и инженерство. (Седмо издание), том 1, Cengage Learning.
2. Уитън, Дейвис, Пек, Стенли. (2008 г.). Химия. (Осма версия). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 ноември 2018 г.). Специфичен топлинен капацитет в химията. Изтеглено от: thoughtco.com
4. Ерик Уайсщайн. (2007 г.). Специфична топлина. Изтеглено от: scienceworld.wolfram.com
5. R Кораб. (2016 г.). Специфична топлина. Държавен университет в Джорджия. Изтеглено от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Специфична топлина Изтеглено от: en.wikipedia.org