Удельная теплоемкость, в чем она состоит, как рассчитывается и примеры



удельная теплоемкость это количество энергии, которое должен поглотить грамм определенного вещества, чтобы повысить его температуру на один градус Цельсия. Это интенсивное физическое свойство, поскольку оно не зависит от массы, которая выражается только для грамма вещества; однако это связано с количеством частиц и молярной массой частиц, а также с межмолекулярными силами, которые их связывают..

Количество энергии, поглощаемой веществом, выражается в единицах Джоуля (Дж) и реже в калориях (Кал). Обычно предполагается, что энергия поглощается теплом; однако энергия может поступать из другого источника, такого как работа над веществом (например, тщательное перемешивание).

Верхнее изображение показывает чайник, из которого выделяются водяные пары, образующиеся при его нагревании. Чтобы нагреть воду, она должна поглощать тепло от пламени, расположенного под чайником. Таким образом, с течением времени и в зависимости от интенсивности пожара вода закипит, когда достигнет точки кипения..

Удельная теплоемкость определяет, сколько энергии потребляет вода для каждого градуса Цельсия, что повышает ее температуру. Это значение является постоянным, если разные объемы воды нагреваются в одном и том же чайнике, поскольку, как упоминалось в начале, это интенсивное свойство.

Что меняется, так это общее количество энергии, поглощаемой каждым нагретым водоемом, также известным как теплоемкость. Чем больше масса воды, которая должна нагреваться (2, 4, 10, 20 литров), тем больше ее теплоемкость; но его удельная теплоемкость остается прежней.

Это свойство зависит от давления, температуры и объема; однако в целях простого понимания их соответствующие варианты опущены.

индекс

  • 1 Что такое удельная теплоемкость??
  • 2 Как рассчитывается удельная теплоемкость?
    • 2.1 Вода в качестве эталона
    • 2.2 Тепловое равновесие
    • 2.3 Математическое развитие
    • 2.4 Пример расчета
  • 3 примера
    • 3.1 Вода
    • 3.2 Лед
    • 3.3 Алюминий
    • 3.4 Железо
    • 3.5 Воздух
    • 3,6 Серебро
  • 4 Ссылки

Что такое удельная теплоемкость?

Было определено, что означает удельная теплоемкость для данного вещества. Тем не менее, его истинное значение лучше всего выражается его формулой, которая проясняет через его единицы, какие зазоры используются при анализе переменных, от которых он зависит. Его формула:

Ce = Q / ΔT · м

Где Q - поглощенное тепло, ΔT - изменение температуры, а m - масса вещества; что по определению соответствует одному грамму. Делая анализ ваших юнитов у вас есть:

Ce = Дж / ºC · г

Что также можно выразить следующими способами:

Ce = кДж / К · г

Ce = Дж / ºC · кг

Первый самый простой, и именно с этим примеры будут рассмотрены в следующих разделах.

Формула явно указывает количество энергии, поглощенной (Дж) одним граммом вещества на один градус Цельсия. Если вы хотите очистить это количество энергии, вам придется оставить в стороне уравнение J:

J = Ce · ºC · г

Это выражается более подходящим образом и в соответствии с переменными будет:

Q = Ce · ΔT · м

Как рассчитывается удельная теплоемкость?

Вода как эталон

В предыдущей формуле «m» не представляет собой грамм вещества, потому что он уже неявно содержится в Се. Эта формула очень полезна для расчета удельной теплоты различных веществ с помощью калориметрии..

Как? Используя определение калорий, которое представляет собой количество энергии, необходимое для нагрева грамма воды от 14,5 до 15,5 ° С; Это равно 4,184 Дж.

Удельная теплоемкость воды необычно высока, и это свойство используется для измерения удельной теплоты других веществ, зная значение 4,184 Дж..

Что значит высокая удельная теплоемкость? Это противостоит значительному сопротивлению повышению его температуры, поэтому оно должно поглощать больше энергии; вода должна нагреваться намного дольше по сравнению с другими веществами, которые в непосредственной близости от источника тепла нагреваются практически сразу.

По этой причине вода используется в калориметрических измерениях, поскольку она не испытывает резких изменений температуры при поглощении энергии, выделяющейся при химических реакциях; или, в этом случае, контакт с другим более горячим материалом.

Тепловой баланс

Поскольку вода должна поглощать много тепла, чтобы повысить ее температуру, тепло может поступать, например, от горячего металла. Принимая во внимание массы воды и металла, теплообмен между ними будет происходить до достижения так называемого теплового равновесия..

Когда это происходит, температура воды и металла выравнивается. Тепло, выделяемое горячим металлом, равно теплу, поглощенному водой..

Математическое развитие

Зная это, и с последней формулой для Q, только что описанной, мы имеем:

Qвода= -Qметалл

Отрицательный знак указывает, что тепло выделяется из самого горячего тела (металла) в самое холодное тело (воду). Каждое вещество имеет свою удельную теплоемкость Се и свою массу, поэтому это выражение должно развиваться следующим образом:

Qвода = Севода · ΔTвода · Мвода = - (Семеталл · ΔTметалл · Мметалл)

Неизвестный это Семеталл, поскольку в тепловом равновесии конечная температура воды и металла одинакова; Кроме того, начальные температуры воды и металла известны до контакта, а также их массы. Поэтому мы должны очистить Ceметалл:

ЕСметалл = (Ceвода · ΔTвода · Мвода) / (-ΔTметалл · Мметалл)

Не забывая, что Севода это 4,184 Дж / ºC · г. Если ΔT разработанывода и ΔTметалл, это будет (TF - Tвода) и (TF - Tметалл) соответственно. Вода нагревается, а металл остывает, и поэтому отрицательный знак умножается на ΔTметалл оставаясь (Tметалл - TF). В противном случае ΔTметалл будет иметь отрицательное значение для того, чтобы быть ТF минор (холоднее) чем Тметалл.

Затем уравнение окончательно выражается так:

ЕСметалл = Севода · (TF - Tвода) · Мвода/ (Tметалл - TF) · Мметалл

И с этим рассчитываются удельные теплоты.

Пример расчета

У этого есть шар странного металла, который весит 130 г, и с температурой 90ºC. Это погружено в контейнер для воды 100 г при 25ºC, внутри калориметра. Когда достигается тепловое равновесие, температура контейнера становится равной 40 ° С. Рассчитать металл Се.

Конечная температура, ТF, Это 40ºC. Зная другие данные, вы можете определить Ce напрямую:

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

ЕСметалл = 0,965 Дж / ºC · г

Обратите внимание, что удельная теплоемкость воды примерно в четыре раза выше, чем у металла (4,184 / 0,965).

Когда Се очень мала, тем больше склонность к разогреву; что связано с его теплопроводностью и диффузией. Металл с более высоким содержанием Ce будет стремиться выделять или терять больше тепла при контакте с другим материалом по сравнению с другим металлом с более низким содержанием Ce.

примеров

Удельные теплоты для разных веществ приведены ниже.

вода

Удельная теплоемкость воды, как уже было сказано, составляет 4,184 Дж / ° С · г..

Благодаря этому значению он может сделать много солнца в океане, и вода вряд ли испарится до какой-либо заметной степени. Это приводит к тепловой разнице, которая не влияет на морскую флору и фауну. Например, когда вы идете на пляж, чтобы искупаться, даже если на улице солнечно, вы можете почувствовать более низкую, более прохладную температуру в воде.

Горячая вода также должна выделять много энергии для охлаждения. При этом он нагревает массы циркулирующего воздуха, немного повышая температуру (умеренную) в прибрежных районах в течение зимы.

Другим интересным примером является то, что если бы мы не были образованы водой, день на солнце мог бы быть смертельным, потому что температура наших тел быстро повышалась.

Это уникальное значение Ce обусловлено межмолекулярными водородными мостиками. Они поглощают тепло, чтобы сломаться, поэтому они накапливают энергию. Пока они не сломаны, молекулы воды не могут вибрировать, увеличивая среднюю кинетическую энергию, что отражается в повышении температуры..

лед

Удельная теплоемкость льда составляет 2090 Дж / ° С. Как и вода, она имеет необычайно высокую ценность. Это означает, что айсберг, например, должен будет поглощать огромное количество тепла, чтобы повысить его температуру. Однако некоторые современные айсберги даже поглотили тепло, необходимое для плавления (скрытое тепло плавления).

алюминий

Удельная теплоемкость алюминия составляет 0,900 Дж / ºC · г. Это немного ниже, чем металл сферы (0,965 Дж / ºC · г). Здесь тепло поглощается, чтобы вибрировать атомы металла алюминия в его кристаллических структурах, а не отдельные молекулы, соединенные межмолекулярными силами.

железо

Удельная теплоемкость утюга составляет 0,444 Дж / ° С. Будучи меньше алюминия, это означает, что он противостоит меньшему сопротивлению при нагревании; то есть до пожара кусок железа станет раскаленным докрасна задолго до алюминиевого куска.

Алюминий, в отличие от нагрева, дольше сохраняет пищу горячей, когда знаменитая алюминиевая фольга используется для упаковки закусок.

воздух

Удельная теплоемкость воздуха составляет примерно 1,003 Дж / ºC · г. Это значение очень зависит от давления и температуры, потому что оно состоит из газовой смеси. Здесь тепло поглощается, чтобы вибрировать молекулы азота, кислорода, углекислого газа, аргона и т. Д..

серебро

Наконец, удельная теплоемкость для серебра составляет 0,234 Дж / ºC · г. Из всех упомянутых веществ имеет самое низкое значение Се. Это означает, что перед железом и алюминием кусок серебра нагреется гораздо больше одновременно с двумя другими металлами. На самом деле, он гармонирует с высокой теплопроводностью.

ссылки

  1. Serway & Jewett. (2008). Физика: для науки и техники. (Седьмое издание), том 1, Cengage Learning.
  2. Уиттен, Дэвис, Пек, Стэнли. (2008). Химия. (Восьмое издание). Cengage Learning.
  3. Хельменстин, Анна Мари, доктор философии (5 ноября 2018 г.) Удельная теплоемкость в химии. Получено с: мысли
  4. Эрик В. Вайштайн. (2007). Удельная теплоемкость. Получено с: scienceworld.wolfram.com
  5. R Корабль. (2016). Удельная теплоемкость. Университет штата Джорджия. Получено от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  6. Wikipedia. (2019). Удельная теплоемкость Получено с: en.wikipedia.org