SPECIFINĖ ŠILUMA: KAS JĄ SUDARO, KAIP JI APSKAIČIUOJAMA IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA

Specifinė šiluma yra energijos kiekis, kurį reikia absorbuojamas vienas gramas medžiagos padidinti jo temperatūrą pagal vieną laipsnių. Tai yra intensyvi fizinė savybė, nes ji nepriklauso nuo masės, nes ji išreiškiama tik vienam gramui medžiagos; tačiau tai yra susiję su dalelių skaičiumi ir jų moline mase, taip pat su tarpmolekulinėmis jėgomis, kurios jas jungia.

Medžiagos sugertos energijos kiekis išreiškiamas džauliais (J), rečiau - kalorijomis (Cal). Paprastai manoma, kad energija absorbuojama per šilumą; tačiau energija gali būti gaunama iš kito šaltinio, pavyzdžiui, atliekant medžiagą (pvz., griežtai maišant).

Verdantis vanduo. Šaltinis: „Pixabay“

Aukščiau esančiame paveikslėlyje parodytas virdulys, iš kurio išleidžiami kaitinant susidarantys vandens garai. Norėdami šildyti vandenį, jis turi sugerti šilumą iš liepsnos, esančios po virduliu. Taigi laikui bėgant ir priklausomai nuo ugnies intensyvumo vanduo virins, kai pasieks savo virimo tašką.

Specifinė šiluma nustato, kiek vandens sunaudoja kiekvienam ºC laipsniui, kai jo temperatūra pakyla. Ši vertė yra pastovi, jei tame pačiame virdulyje yra šildomi skirtingi vandens kiekiai, nes, kaip minėta pradžioje, tai yra intensyvi savybė.

Tai, kas skiriasi, yra bendras energijos kiekis, sugeriamas iš kiekvienos šildomo vandens masės, dar žinomos kaip šilumos talpa. Kuo didesnė šildomo vandens masė (2, 4, 10, 20 litrų), tuo didesnė jo šiluminė talpa; tačiau jo specifinė šiluma išlieka ta pati.

Ši savybė priklauso nuo slėgio, temperatūros ir tūrio; tačiau, norint paprasčiau suprasti, atitinkami jų variantai yra praleisti.

Kas yra specifinė šiluma?

Buvo apibrėžta, kokia konkrečiai medžiagai buvo šiluma. Tačiau tikroji jo reikšmė yra geriau išreikšta jos formule, kuri per savo vienetus leidžia suprasti, kokie yra tarpai, su kuriais ji susijusi, kai analizuojami kintamieji, nuo kurių jis priklauso. Jos formulė:

Ce = Q / ΔT m

Čia Q yra absorbuota šiluma, ΔT - temperatūros pokytis, o m - medžiagos masė; kad pagal apibrėžimą atitinka gramą. Išanalizavę savo vienetus, mes turime:

Ce = J / ºC · g

Tai taip pat gali būti išreikšta šiais būdais:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · kg

Pirmasis iš jų yra pats paprasčiausias ir būtent su juo pavyzdžiai bus nagrinėjami tolesniuose skyriuose.

Formulė aiškiai nurodo energijos sugertą kiekį (J) iš vieno gramo medžiagos viename ºC laipsnyje. Jei norėtume išvalyti šį energijos kiekį, J lygtį turėtume palikti nuošalyje:

J = Ce · ºC · g

Tai išreiškiama tinkamiau ir atsižvelgiant į kintamuosius:

Q = Ce ΔT m

Kaip apskaičiuojama savitoji šiluma?

Vanduo kaip nuoroda

Aukščiau pateiktoje formulėje „m“ nereiškia medžiagos gramo, nes ji netiesiogiai randama Ce. Ši formulė yra labai naudinga apskaičiuojant įvairių medžiagų specifinius šilumus, naudojant kalorimetriją.

Kaip? Naudojant kalorijų apibrėžimą, tai yra energijos kiekį, reikalingą gramui vandens pašildyti nuo 14,5 iki 15,5ºC; tai lygu 4 184 J.

Savitasis vandens karštis yra neįprastai didelis, ir ši savybė naudojama matuojant kitų medžiagų, žinančių 4,184 J vertę, savitą šilumą.

Ką reiškia, kad specifinis karštis yra didelis? Kad jis pasižymi dideliu atsparumu padidėjusiai temperatūrai, todėl jis turi sugerti daugiau energijos; ty vandenį reikia kaitinti daug ilgiau, palyginti su kitomis medžiagomis, kurios šalia šilumos šaltinio įkaista beveik akimirksniu.

Dėl šios priežasties vanduo naudojamas kalorimetriniams matavimams, nes, absorbuodamas energiją, išsiskiriančią iš cheminių reakcijų, ji nepatiria staigių temperatūros pokyčių; arba šiuo atveju nuo sąlyčio su kita karštesne medžiaga.

Šiluminė pusiausvyra

Kadangi vanduo turi sugerti daug šilumos, kad padidėtų jo temperatūra, šiluma gali patekti, pavyzdžiui, iš karšto metalo. Atsižvelgiant į vandens ir metalo mases, tarp jų vyks šilumos mainai, kol bus pasiekta vadinamoji šiluminė pusiausvyra.

Kai tai įvyksta, vandens ir metalo temperatūra išsilygina. Karšto metalo skleidžiama šiluma yra lygi vandens sugertai šilumai.

Matematinė raida

Žinodami tai ir naudodami paskutinę ką tik aprašytą Q formulę, turime:

Q _vanduo = -Q _metalas

Neigiamas ženklas rodo, kad šiluma iš šiltesnio kūno (metalo) patenka į aušintuvo kūną (vandenį). Kiekviena medžiaga turi savo specifinę šilumą Ce ir savo masę, todėl ši išraiška turi būti plėtojama taip:

Q _vanduo = ce _vanduo · ΔT _vanduo · m _vanduo = - (ce _metalas · ΔT _metalas · m _metalas )

Nežinomas yra „Ce _Metal“ , nes šiluminėje pusiausvyroje galutinė vandens ir metalo temperatūra yra vienoda; be to, prieš liečiant, žinoma pradinė vandens ir metalo temperatūra, taip pat jų masė. Todėl „Ce _Metal“ turi būti išvalytas :

Ce _metalas ((Ce _vanduo · ΔT _vanduo · m _vanduo ) / (–ΔT _metalas · m _metalas )

Nepamirštant, kad Ce _vanduo yra 4,184 J / ºC · g. Jei bus sukurtas ΔT _vanduo ir ΔT _metalas , turėsime atitinkamai ( _Tf - T _vandenį ) ir ( _Tf - T _metalą ). Vanduo įkaista, o metalas atvėsta, todėl neigiamasis ženklas padaugėja iš ΔT _metalo, paliekant (T _metalas - T _f ). Priešingu atveju ΔT _metalas turėtų neigiamą vertę, nes yra T _f mažesnis (šaltesnis) nei T _metalas .

Tada lygtis galutinai išreiškiama tokiu būdu:

Ce _metalas = Ce _vanduo · ( _Tf - T _vanduo ) · m _Vanduo / (T _metalas - T _f ) · m _metalas

Ir kartu su juo apskaičiuojami specifiniai šilumai.

Skaičiavimo pavyzdys

Yra keisto metalo rutulys, sveriantis 130 g, o jo temperatūra 90ºC. Jis panardinamas į 100 g vandens indą, kurio temperatūra 25ºC, kalorimetro viduje. Pasiekus šiluminę pusiausvyrą, talpyklos temperatūra tampa 40 ° C. Apskaičiuokite metalo Ce.

Galutinė temperatūra _Tf yra 40 ° C. Žinant kitus duomenis, Ce galima tada tiesiogiai nustatyti:

Ce _metalas = (4 184 J / ºC · g · (40–25) ºC · 100 g) / (90–40) ºC · 130 g

Ce _metalas = 0,965 J / ºC · g

Atminkite, kad vandens savitoji šiluma yra maždaug keturis kartus didesnė nei metalo (4,184 / 0,965).

Kai Ce yra labai mažas, tuo didesnis jo polinkis įkaisti; kuris yra susijęs su jo šilumos laidumu ir difuzija. Metalas, kurio Ce yra didesnis, linkęs išleisti arba prarasti daugiau šilumos, kai jis liečiasi su kita medžiaga, palyginti su kitu metalu, kurio Ce yra mažesnis.

Pavyzdžiai

Žemiau parodyti konkretūs įvairių medžiagų įkaitimai.

Vanduo

Specifinis vandens šilumas, kaip teigiama, yra 4,184 J / ° C · g.

Dėl šios vertės vandenyne gali patekti daug saulės ir vanduo vargu ar išgaruos iki pastebimo laipsnio. Dėl to atsiranda šiluminis skirtumas, kuris neturi įtakos jūrų gyvybei. Pavyzdžiui, einant į paplūdimį maudytis, net jei lauke labai saulėta, vanduo jaučia žemesnę, vėsesnę temperatūrą.

Karštas vanduo taip pat turi išleisti daug energijos, kad pats atvėstų. Proceso metu jis šildo cirkuliuojančias oro mases, žiemą pakrančių regionuose šiek tiek pakelia (vidutinę) temperatūrą.

Kitas įdomus pavyzdys: jei mes nebūtume gaminami iš vandens, diena saulėje galėtų būti mirtina, nes mūsų kūno temperatūra greitai pakiltų.

Ši unikali Ce vertė atsiranda dėl tarpmolekulinių vandenilio jungčių. Jie sugeria šilumą, kad suskaidytų, taigi kaupia energiją. Kol jos nesulaužys, vandens molekulės negalės vibruoti, padidindamos vidutinę kinetinę energiją, kuri atsispindi padidėjus temperatūrai.

Ledas

Specifinė ledo šiluma yra 2 090 J / ºC · g. Kaip ir vanduo, jis turi neįprastai didelę vertę. Tai reiškia, kad, pavyzdžiui, aisbergui, norint padidinti jo temperatūrą, reikės sugerti didžiulį kiekį šilumos. Tačiau kai kurie ledkalniai šiandien net sugeria šilumą, reikalingą lydymui (latentinė suliejimo šiluma).

Aliuminis

Savitoji aliuminio šiluma yra 0,900 J / ºC · g. Jis yra šiek tiek mažesnis nei metalo, esančio sferoje (0,965 J / ºC · g). Čia šiluma sugeriama, kad vibruotų aliuminio atomų kristalinės struktūros, o ne atskiros molekulės, laikomos kartu tarpmolekulinių jėgų.

Geležies

Savitoji geležies šiluma yra 0,444 J / ºC · g. Būdamas mažesnis už aliuminį, tai reiškia, kad šildant jis pasižymi mažesniu atsparumu; tai yra, prieš gaisrą geležies gabalas įkaista daug anksčiau nei aliuminio gabalas.

Aliuminis, atsparesnis šildymui, ilgiau išlaiko maistą karštą, kai garsioji aliuminio folija naudojama užkandžiams suvynioti.

Oro

Savitoji oro šiluma yra maždaug 1,003 J / ºC · g. Ši vertė labai priklauso nuo slėgio ir temperatūros, nes ją sudaro dujinis mišinys. Čia šiluma yra sugeriama, kad vibruotų azoto, deguonies, anglies dioksido, argono ir kt. Molekulės.

sidabras

Galiausiai, sidabro savitoji šiluma yra 0,234 J / ºC · g. Iš visų paminėtų medžiagų ji turi mažiausią Ce reikšmę, tai reiškia, kad susidūręs su geležimi ir aliuminiu, sidabro gabalas įkaista daug daugiau tuo pačiu metu kaip ir kiti du metalai. Tiesą sakant, jis suderinamas su dideliu šilumos laidumu.

Nuorodos

„Serway“ ir „Jewett“. (2008). Fizika: mokslui ir inžinerijai. (Septintas leidimas), 1 tomas, „Cengage“ mokymasis.
Whittenas, Davisas, Peckas, Stanley. (2008). Chemija. (Aštuntas leidimas). „Cengage“ mokymasis.
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 m. Lapkričio 5 d.). Specifinės šilumos talpos chemijoje. Atgauta iš: thinkco.com
Erikas W. Weissteinas. (2007). Savitoji šiluma. Atkurta iš: scienceworld.wolfram.com
R Laivas. (2016). Savitoji šiluma. Džordžijos valstybinis universitetas. Atkurta iš: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Vikipedija. (2019 m.). Savitoji šiluma. Atkurta iš: es.wikipedia.org

SPECIFINĖ ŠILUMA: KAS JĄ SUDARO, KAIP JI APSKAIČIUOJAMA IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025