Specifična toplina u onome što se sastoji, kako se izračunava i primjeri



specifičnu toplinu je količina energije koju gram određene tvari mora apsorbirati da bi povećao temperaturu za jedan stupanj Celzijusa. To je intenzivno fizičko svojstvo, jer ne ovisi o masi koja se izražava samo za gram tvari; međutim, to se odnosi na broj čestica i molarnu masu čestica, kao i na intermolekularne sile koje ih vežu.

Količina energije koju supstanca apsorbira izražava se u jedinicama džula (J), a rjeđe u kalorijama (Cal). Općenito se pretpostavlja da se energija apsorbira kroz toplinu; međutim, energija može doći iz drugog izvora, kao što je rad na tvari (rigorozna agitacija, na primjer).

Gornja slika prikazuje čajnik iz kojeg se ispuštaju vodene pare koje nastaju njegovim zagrijavanjem. Za zagrijavanje vode, ona mora apsorbirati toplinu iz plamena koji se nalazi ispod čajnika. Dakle, kako vrijeme prolazi, i ovisno o intenzitetu vatre, voda će zakuhati kad dosegne točku vrenja.

Specifična toplina određuje koliko energije potroši voda za svaki stupanj ° C koji povećava njegovu temperaturu. Ova vrijednost je konstantna ako se u istom čajniku zagrijavaju različite količine vode, budući da je, kao što je spomenuto na početku, to intenzivno svojstvo..

Ono što varira je ukupna količina energije koju apsorbira svako grijano tijelo vode, također poznato kao toplinski kapacitet. Što je veća masa vode koja se zagrijava (2, 4, 10, 20 litara), to je veći toplinski kapacitet; ali njegova specifična toplina je i dalje ista.

Ovo svojstvo ovisi o tlaku, temperaturi i volumenu; međutim, u svrhu jednostavnog razumijevanja, njihove odgovarajuće varijacije su izostavljene.

indeks

  • 1 Koja je specifična toplina??
  • 2 Kako se izračunava specifična toplina?
    • 2.1 Voda kao referenca
    • 2.2 Toplinska ravnoteža
    • 2.3 Matematički razvoj
    • 2.4 Primjer izračuna
  • 3 Primjeri
    • 3.1 Voda
    • 3.2 Led
    • 3.3 Aluminij
    • 3.4 Željezo
    • 3.5 Zrak
    • 3.6 Srebro
  • 4 Reference

Što je specifična toplina?

Definirana je specifična toplina za određenu tvar. Međutim, njegovo pravo značenje najbolje se izražava njegovom formulom, koja jasno pokazuje kroz svoje jedinice koje su dopuštenja koja su uključena u analizu varijabli o kojima ovisi. Njegova formula je:

Ce = Q / ΔT · m

Gdje je Q apsorbirana toplina, ΔT promjena temperature, i m je masa tvari; da prema definiciji odgovara jednom gramu. Izvršite analizu svojih jedinica:

Ce = J / ºC · g

Što se također može izraziti na sljedeće načine:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ºC · Kg

Prvi je najjednostavniji i upravo s tim primjeri će biti obrađeni u sljedećim odjeljcima.

Formula eksplicitno pokazuje količinu energije koju je apsorbirao (J) jedan gram tvari za jedan stupanj C. Ako ste htjeli očistiti tu količinu energije, morat ćete ostaviti po strani jednadžbu J:

J = Ce · ° C · g

To bi bilo izraženije na prikladniji način i prema varijablama bilo bi:

Q = Ce · ΔT · m

Kako se izračunava specifična toplina?

Voda kao referenca

U prethodnoj formuli 'm' ne predstavlja gram tvari, jer je već implicitno u Ce.Ova formula je vrlo korisna za izračun specifičnih toplina različitih tvari putem kalorimetrije.

Kako? Koristeći definiciju kalorija, koja je količina energije potrebne za zagrijavanje grama vode od 14,5 do 15,5 ° C; To je jednako 4,184 J.

Specifična toplina vode je abnormalno visoka, a ovo svojstvo se koristi za mjerenje specifičnih toplina drugih tvari koje znaju vrijednost 4,184 J.

Što to znači da je specifična toplina visoka? To se suprotstavlja znatnom otporu povećanju njegove temperature, tako da mora apsorbirati više energije; to jest, vodu treba zagrijavati mnogo dulje u usporedbi s drugim tvarima, koje se u blizini izvora topline grije gotovo odmah.

Zbog toga se voda koristi u kalorimetrijskim mjerenjima, budući da ne doživljava nagle promjene temperature pri upijanju energije oslobođene od kemijskih reakcija; ili, u ovom slučaju, kontakt s drugim toplijim materijalom.

Toplinska ravnoteža

Budući da voda treba apsorbirati mnogo topline kako bi povećala svoju temperaturu, toplina može doći iz vrućeg metala, na primjer. Uzimajući u obzir mase vode i metala, izmjena topline između oba će se odvijati sve dok se ne postigne ono što se naziva toplinska ravnoteža.

Kada se to dogodi, temperature vode i metala se izjednačavaju. Toplina koja se oslobađa vrućim metalom jednaka je onoj koju apsorbira voda.

Matematički razvoj

Znajući to, i posljednjom formulom za Q koju smo upravo opisali, imamo:

Pvoda= -Qmetalni

Negativni znak pokazuje da se toplina oslobađa iz najtoplijeg tijela (metala) u najhladnije tijelo (vodu). Svaka tvar ima svoju specifičnu toplinu Ce i njezinu masu, pa se taj izraz mora razviti na sljedeći način:

Pvoda = Cevoda · ΔTvoda · Mvoda = - (Cemetalni · ΔTmetalni · Mmetalni)

Nepoznato je Cemetalni, budući da je u toplinskoj ravnoteži konačna temperatura i za vodu i za metal jednaka; Osim toga, početne temperature vode i metala poznate su prije kontaktiranja, kao i njihove mase. Stoga moramo očistiti Cemetalni:

EKmetalni = (Cevoda · ΔTvoda · Mvoda/ / -Tmetalni · Mmetalni)

Ne zaboravljajući Cevoda ona je 4,184 J / ° C · g. Ako se razvije ΔTvoda i ΔTmetalni, bit će (TF - Tvoda) i (TF - Tmetalni), respektivno. Voda se zagrijava, dok se metal hladi, pa se negativni znak množi s ΔTmetalni boravak (Tmetalni - TF). Inače, ΔTmetalni bi imala negativnu vrijednost za TF manje (hladnije) od Tmetalni.

Jednadžba se tada konačno izražava na ovaj način:

EKmetalni = Cevoda · (TF - Tvoda) · Mvoda/ (Tmetalni - TF) · Mmetalni

I s njim se izračunavaju specifične topline.

Primjer izračuna

Ima kuglu čudnog metala težine 130 g i temperaturu od 90ºC. To je uronjeno u spremnik vode od 100g na 25ºC, unutar kalorimetra. Kada se postigne toplinska ravnoteža, temperatura spremnika postaje 40 ° C. Izračunajte metal Ce.

Konačna temperatura, TF, To je 40ºC. Poznavajući druge podatke, možete izravno odrediti Ce:

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

EKmetalni = 0,965 J / ° C · g

Imajte na umu da je specifična toplina vode oko četiri puta veća od one metala (4.184 / 0.965).

Kada je Ce vrlo mali, veća je tendencija zagrijavanja; koji se odnosi na njegovu toplinsku vodljivost i difuziju. Metal s višim Ce će imati tendenciju oslobađanja ili gubitka više topline, kada dođe u kontakt s drugim materijalom, u usporedbi s drugim metalom s nižim Ce.

Primjeri

Specifične topline za različite tvari prikazane su u nastavku.

voda

Specifična toplina vode, kao što je rečeno, iznosi 4.184 J / ºC · g.

Zahvaljujući toj vrijednosti, može stvoriti puno sunca u oceanu i voda će teško ispariti u bilo kojem značajnom stupnju. To rezultira toplinskom razlikom koja ne utječe na morski život. Na primjer, kada odete na plažu da biste se okupali, čak i ako je vani sunčano, možete osjetiti nižu, hladniju temperaturu u vodi.

Topla voda također treba osloboditi mnogo energije da se ohladi. Pri tome zagrijava cirkulirajuće zračne mase, povećavajući malo temperature (umjerene) u obalnim područjima tijekom zime..

Još jedan zanimljiv primjer je da ako nismo bili formirani vodom, dan na suncu mogao bi biti smrtonosan, jer bi temperature naših tijela brzo porasle..

Ova jedinstvena vrijednost Ce nastaje zbog međumolekularnih vodikovih mostova. One apsorbiraju toplinu kako bi se razbile, pa pohranjuju energiju. Dok se ne slome, molekule vode ne mogu vibrirati, povećavajući prosječnu kinetičku energiju, što se odražava u povećanju temperature..

led

Specifična toplina leda je 2.090 J / ºC · g. Poput vode, ima neuobičajeno visoku vrijednost. To znači da bi ledeni brijeg, na primjer, morao apsorbirati veliku količinu topline kako bi povećao svoju temperaturu. Međutim, neke ledenjaci današnjice čak su apsorbirali toplinu potrebnu za taljenje (latentna toplina fuzije).

aluminijum

Specifična toplina aluminija iznosi 0.900 J / ºC · g. Nešto je niže od metala kugle (0,965 J / ºC · g). Ovdje se toplina apsorbira kako bi vibrirala metalne atome aluminija u njegovim kristalnim strukturama, a ne pojedinačne molekule pridružene međumolekularnim silama.

željezo

Specifična toplina željeza iznosi 0.444 J / ºC · g. Budući da je manje od aluminija, to znači da se suprotstavlja manje otpornosti kada se zagrijava; to jest, prije požara komadić željeza će postati crven, dugo prije aluminijskog komada.

Aluminij, za razliku od grijanja, čuva hranu još dulje kada se poznata aluminijska folija koristi za zamatanje grickalica.

zrak

Specifična toplina zraka iznosi približno 1,003 J / ºC · g. Ova vrijednost je vrlo podložna pritiscima i temperaturama jer se sastoji od mješavine plina. Ovdje se toplina apsorbira kako bi vibrirala molekule dušika, kisika, ugljičnog dioksida, argona itd..

srebro

Konačno, specifična toplina za srebro je 0,234 J / ºC · g. Od svih navedenih tvari, ima najnižu vrijednost Ce.To znači da bi prije željeza i aluminija komad srebra grijao mnogo više istovremeno s druga dva metala. Zapravo, usklađuje se s visokom toplinskom vodljivošću.

reference

  1. Serway i Jewett. (2008). Fizika: za znanost i inženjerstvo. (Sedmo izdanje), Svezak 1, Cengage Learning.
  2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemija. (Osmo izdanje). Cengage učenje.
  3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5. studenoga 2018.) Specifični toplinski kapaciteti u kemiji. Preuzeto s: thoughtco.com
  4. Eric W. Weisstein. (2007). Specifična toplina. Preuzeto s: scienceworld.wolfram.com
  5. R Brod. (2016). Specifična toplina. Državno sveučilište Georgia. Preuzeto s: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  6. Wikipedia. (2019). Specifična toplina Preuzeto s: en.wikipedia.org