ПИТОМА ТЕПЛОТА: З ЧОГО СКЛАДАЄТЬСЯ, ЯК ВОНА ОБЧИСЛЮЄТЬСЯ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Питома теплоємність це кількість енергії , щоб бути поглиненими один грам речовини , щоб підвищити його температуру на один градус за Цельсієм. Це інтенсивна фізична властивість, оскільки не залежить від маси, оскільки виражається лише на один грам речовини; однак це пов'язано з кількістю частинок та їх молярною масою, а також міжмолекулярними силами, які їх зв’язують.

Кількість енергії, що поглинається речовиною, виражається в одиницях джоуля (J), а рідше - в калоріях (Cal). Взагалі передбачається, що енергія поглинається через тепло; однак енергія може надходити з іншого джерела, наприклад, роботи над речовиною (наприклад, жорстке перемішування).

Окріп. Джерело: Піксабай

На зображенні вище зображено чайник, з якого виділяються водяні пари, отримані при його нагріванні. Щоб нагріти воду, вона повинна поглинати тепло від полум'я, розташованого під чайником. Таким чином, з плином часу, і залежно від інтенсивності пожежі, вода закипить, коли вона досягне своєї температури кипіння.

Питома теплоємність встановлює, скільки енергії споживає вода за кожен градус ºC, наскільки її температура збільшується. Ця величина є постійною, якщо в одному і тому ж чайнику нагріваються різні об’єми води, оскільки, як було сказано на початку, вона є інтенсивною властивістю.

Від цього залежить загальна кількість енергії, що поглинається кожною масою нагрітої води, також відомою як теплоємність. Чим більша маса води для нагрівання (2, 4, 10, 20 літрів), тим більша її теплоємність; але його питома теплота залишається такою ж.

Ця властивість залежить від тиску, температури та об’єму; однак, для простого розуміння їх відповідні варіації опускаються.

Що таке питома теплота?

Було визначено, яке питоме тепло означає для даної речовини. Однак його справжнє значення краще виражається за допомогою його формули, яка дає зрозуміти через його одиниці, які зазори, які він включає, коли аналізуються змінні, від яких це залежить. Його формула:

Ce = Q / ΔT м

Де Q - поглинене тепло, ΔT - зміна температури, m - маса речовини; що за визначенням відповідає граму. Аналізуючи його одиниці, ми маємо:

Ce = J / ºC · g

Що також можна виразити наступними способами:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Кг

Перший з них є найпростішим, і саме з цими прикладами буде звернутось у наступних розділах.

Формула прямо вказує кількість енергії, що поглинається (J) на один грам речовини в одному градусі ºC. Якби ми хотіли очистити цю кількість енергії, нам слід було б залишити рівняння J убік:

J = Ce · ºC · g

Це виражається більш підходящим способом і відповідно до змінних:

Q = Ce ΔT m

Як обчислюється питома теплота?

Вода як еталон

У наведеній вище формулі 'm' не являє граму речовини, оскільки це вже неявно міститься в Ce. Ця формула дуже корисна для обчислення питомої кількості тепла різних речовин за допомогою калориметрії.

Як? Використовуючи визначення калорій, це кількість енергії, необхідної для нагрівання граму води від 14,5 до 15,5ºC; це дорівнює 4,184 Дж.

Питома теплоємність води аномально висока, і ця властивість використовується для вимірювання питомої кількості тепла інших речовин, знаючи значення 4,184 Дж.

Що означає, що конкретна спека повинна бути високою? Що він надає значну стійкість до підвищення температури, тому він повинен поглинати більше енергії; тобто воду потрібно нагрівати набагато довше порівняно з іншими речовинами, які поблизу джерела тепла нагріваються майже миттєво.

З цієї причини воду використовують у калориметричних вимірах, оскільки вона не відчуває різких перепадів температури при поглинанні енергії, що виділяється від хімічних реакцій; або, в цьому випадку, від контакту з іншим гарячим матеріалом.

Теплова рівновага

Оскільки для підвищення температури її води потрібно поглинати багато тепла, тепло може надходити, наприклад, від гарячого металу. Враховуючи маси води та металу, між ними буде відбуватися теплообмін до тих пір, поки не буде досягнуто того, що називається тепловою рівновагою.

Коли це відбувається, температура води та металу вирівнюється. Тепло, що виділяється гарячим металом, дорівнює тепла, яке поглинається водою.

Математичний розвиток

Знаючи це, і з останньою описаною формулою для Q ми маємо:

Q _Вода = -Q _Метал

Негативний знак вказує на те, що тепло випромінюється з теплішого тіла (металу) до більш холодного тіла (води). Кожна речовина має свою специфічну теплоту Ce і свою масу, тому цей вираз необхідно розвивати так:

Q _Вода = Ce _вода · ΔT _Вода · м _Вода = - (Ce _Metal · ΔT _Метал · м _Метал )

Невідомим є _метал Ce , оскільки в тепловій рівновазі кінцева температура як для води, так і для металу однакова; крім того, початкові температури води та металу відомі перед контактом, а також їх маси. Тому Ce _Metal необхідно очистити :

Ce _Metal = (Ce _Water · ΔT _Water · m _Water ) / (-ΔT _Metal · m _Metal )

Не забуваючи, що _вода Ce становить 4,184 Дж / ºC · g. Якщо ΔT _Вода та ΔT _Метал розвинені , у нас буде (T _f - T _Вода ) та (T _f - T _Metal ) відповідно. Вода нагрівається, в той час як метал охолоджується, і тому негативний знак помножується на ΔT _метал, залишаючи (T _Metal - T _f ). В іншому випадку ΔT _метал матиме негативне значення, оскільки він на T _f менший (холодніший), ніж T _Metal .

Потім рівняння остаточно виражається таким чином:

Ce _Metal = Ce _Water · (T _f - T _Water ) · m _Water / (T _Metal - T _f ) · m _Metal

І разом з нею обчислюються питомі нагрівання.

Приклад розрахунку

Існує сфера дивного металу, яка важить 130г і має температуру 90ºС. Це занурюється в ємність з 100 г води при температурі 25ºС, всередині калориметра. Після досягнення теплової рівноваги температура ємності стає 40 ° C. Обчисліть Ce металу.

Кінцева температура, T _f , - 40 ° C. Знаючи інші дані, Се може бути визначений безпосередньо:

Ce _Metal = (4,184 Дж / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 г) / (90 - 40) ºC · 130 г

Ce _Metal = 0,965 Дж / ºC · g

Зауважимо, що питома теплоємність води приблизно в чотири рази більше, ніж у металу (4,184 / 0,965).

Коли Це дуже мало, тим більша його тенденція до нагрівання; що пов'язано з його теплопровідністю та дифузією. Метал з більш високим вмістом Ce, як правило, вивільняє або втрачає більше тепла, коли він контактує з іншим матеріалом, порівняно з іншим металом з нижчим Ce.

Приклади

Специфічні нагрівання для різних речовин показані нижче.

Вода

Питома теплота води, як було зазначено, становить 4,184 Дж / ° С · г.

Завдяки цій величині в океані може потрапити багато сонця, і вода навряд чи випарується в значній мірі. Це призводить до теплової різниці, яка не впливає на морське життя. Наприклад, коли ви йдете на пляж, щоб поплавати, навіть якщо на вулиці дуже сонячно, вода відчуває нижчу, прохолодну температуру.

Гаряча вода також повинна вивільнити багато енергії, щоб охолонути. У процесі цього він нагріває циркулюючі повітряні маси, дещо підвищуючи (помірні) температури в прибережних регіонах під час зими.

Ще одним цікавим прикладом є те, що якби ми не були водою, день на сонці може бути смертельним, оскільки температура нашого тіла швидко зростатиме.

Ця унікальна цінність Ce зумовлена ​​міжмолекулярними водневими зв’язками. Вони поглинають тепло для руйнування, тому вони зберігають енергію. Поки вони не будуть порушені, молекули води не зможуть вібрувати, збільшуючи середню кінетичну енергію, що відбивається на підвищенні температури.

Лід

Питома теплота льоду - 2090 Дж / ºС · г. Як і у води, вона має надзвичайно високу цінність. Це означає, що, наприклад, айсбергу потрібно буде поглинати величезну кількість тепла, щоб підвищити свою температуру. Однак деякі айсберги сьогодні навіть поглинають тепло, необхідне для танення (прихована теплота плавлення).

Алюміній

Питома теплота алюмінію становить 0,900 Дж / ºС · г. Він трохи нижчий, ніж у металу в кулі (0,965 Дж / ºC · г). Тут тепло поглинається, щоб вібрувати атоми металу алюмінію в їх кристалічних структурах, а не окремі молекули, утримувані між собою міжмолекулярними силами.

Залізо

Питома теплота заліза становить 0,444 Дж / ºС · г. Будучи меншим, ніж алюміній, це означає, що він надає менший опір при нагріванні; тобто перед пожежею залізо стане гарячим набагато раніше, ніж шматок алюмінію.

Алюміній, більш стійкий до нагрівання, довше зберігає їжу, коли знаменита алюмінієва фольга використовується для загортання закусок.

Повітря

Питома теплоємність повітря становить приблизно 1,003 Дж / ºС · г. Ця величина сильно впливає на тиск і температуру, оскільки складається з газоподібної суміші. Тут тепло поглинається для вібрації молекул азоту, кисню, вуглекислого газу, аргону тощо.

Срібло

Нарешті, питома теплота для срібла становить 0,234 Дж / ºС · г. Серед усіх згаданих речовин він має найнижчу цінність Це означає, що, стикаючись із залізом та алюмінієм, шматочок срібла нагрівався б набагато більше одночасно з іншими двома металами. Фактично він гармонує зі своєю високою теплопровідністю.

Список літератури

1. Serway & Jewett. (2008). Фізика: для науки та техніки. (Сьоме видання), Том 1, Cengage Learning.
2. Віттен, Девіс, Пек, Стенлі. (2008). Хімія. (Восьме видання). Cengage Learning.
3. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (5 листопада 2018 р.). Питома теплоємність в хімії. Відновлено з: thinkco.com
4. Ерік В. Вайштайн. (2007). Питома теплота. Відновлено з: scienceworld.wolfram.com
5. R Корабель. (2016). Питома теплота. Державний університет Джорджії. Відновлено: гіперфізика.фі-астр.гсу.еду
6. Вікіпедія. (2019). Питома теплота. Відновлено з: es.wikipedia.org