SPECIFIČNA TOPLOTA: IZ ČESA JE SESTAVLJENA, KAKO SE IZRAČUNA IN PRIMERI - KEMIJA

Specifična toplota je količina energije, ki se absorbira en gram snovi za povečanje njegove temperature z eno stopinjo Celzija. Je intenzivna fizična lastnost, saj ni odvisna od mase, saj je izražena le za en gram snovi; vendar je povezano s številom delcev in njihovo molarno maso ter medmolekularnimi silami, ki jih vežejo.

Količina energije, ki jo snov absorbira, je izražena v enotah joula (J) in manj pogosto v kalorijah (Cal). Na splošno velja, da se energija absorbira skozi toploto; vendar lahko energija prihaja iz drugega vira, kot je na primer delo na snovi (na primer strogo mešanje).

Vrela voda. Vir: Pixabay

Zgornja slika prikazuje kotliček, iz katerega se sproščajo vodne hlape, ki nastanejo pri njegovem segrevanju. Za segrevanje vode mora absorbirati toploto iz plamena, ki se nahaja pod kotličkom. Tako bo s časom in odvisno od intenzivnosti ognja voda zavre, ko doseže svoje vrelišče.

Specifična toplota določa, koliko energije porabi voda za vsako stopinjo ºC, da se njena temperatura poveča. Ta vrednost je konstantna, če se v istem kotličku segrejejo različne količine vode, saj je, kot rečeno na začetku, intenzivna lastnost.

Razlikuje se skupna količina energije, ki jo absorbira vsaka masa ogrevane vode, znana tudi kot toplotna zmogljivost. Večja kot je masa vode, ki jo je treba segrevati (2, 4, 10, 20 litrov), večja je njena toplotna zmogljivost; vendar njegova specifična toplota ostane enaka.

Ta lastnost je odvisna od tlaka, temperature in prostornine; vendar so zaradi preprostega razumevanja izpuščene ustrezne različice.

Kaj je specifična toplota?

Opredeljena je bila specifična toplota za določeno snov. Njen resnični pomen pa je bolje izražen s formulo, zaradi česar je skozi svoje enote jasno razvidno, kakšne so razlike, ki jih vključuje, ko analiziramo spremenljivke, od katerih je odvisen. Njegova formula je:

Ce = Q / ΔT m

Kjer je Q absorbirana toplota, ΔT sprememba temperature in m masa snovi; da po definiciji ustreza gramu. Na podlagi analize njegovih enot imamo:

Ce = J / ºC · g

Kar se lahko izrazi tudi na naslednje načine:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · kg

Prva od njih je najpreprostejša in s temi primeri bomo obravnavali v naslednjih razdelkih.

Formula izrecno kaže količino absorbirane energije (J) za en gram snovi v eni stopnji ºC. Če bi želeli očistiti to količino energije, bi morali enačbo J pustiti ob strani:

J = Ce · ºC · g

Izraženo na ustreznejši način in glede na spremenljivke bi bilo:

Q = Ce ΔT m

Kako se izračuna specifična toplota?

Voda kot referenca

V zgornji formuli 'm' ne predstavlja grama snovi, saj jo že implicitno najdemo v Ce. Ta formula je zelo koristna za izračun specifične segrevanja različnih snovi s kalorimetrijo.

Kako? Uporaba definicije kalorij, ki je količina energije, ki je potrebna za segrevanje grama vode od 14,5 do 15,5 ° C; to je enako 4.184 J.

Specifična toplota vode je nenormalno visoka, zato se ta lastnost uporablja za merjenje specifične toplote drugih snovi, ki poznajo vrednost 4,184 J.

Kaj pomeni, da je določena toplota visoka? Da nudi veliko odpornost na zvišanje temperature, zato mora absorbirati več energije; to pomeni, da je treba vodo segrevati veliko dlje v primerjavi z drugimi snovmi, ki se v bližini vira toplote segrejejo skoraj v trenutku.

Zaradi tega se voda uporablja pri kalorimetričnih meritvah, saj pri absorpciji energije, sproščene iz kemičnih reakcij, ne pride do nenadnih temperaturnih sprememb; ali v tem primeru zaradi stika z drugim bolj vročim materialom.

Toplotno ravnotežje

Ker mora voda absorbirati veliko toplote, da poveča svojo temperaturo, lahko toplota prihaja na primer iz vroče kovine. Upoštevajoč maso vode in kovine, bo med njima prišlo do izmenjave toplote, dokler ne dosežemo tistega, kar imenujemo toplotno ravnovesje.

Ko se to zgodi, se temperatura vode in kovine izenačita. Toplota, ki jo oddaja vroča kovina, je enaka toploti, ki jo absorbira voda.

Matematični razvoj

Če vemo za to in z zadnjo opisano formulo za Q, imamo:

Q _Voda = -Q _Kovina

Negativni znak pomeni, da se toplota sprošča iz toplejšega telesa (kovine) v hladnejše telo (vodo). Vsaka snov ima svojo specifično toploto Ce in svojo maso, zato je treba ta izraz razviti na naslednji način:

Q _Voda = Ce _Voda · ΔT _Voda · m _Voda = - (Ce _Kovina · ΔT _Kovina · m _Kovina )

Neznanka je Ce _Metal , saj je v toplotnem ravnovesju končna temperatura za vodo in kovino enaka; poleg tega so začetne temperature vode in kovine znane pred stikom, pa tudi njihove mase. Zato je treba Ce _Metal očistiti :

Ce _Metal = (Ce _Voda · ΔT _Voda · m _Voda ) / (-ΔT _Kovina · m _Kovina )

Ne da bi pozabili, da je Ce _voda 4,184 J / ºC · g. Če se razvijeta ΔT _voda in ΔT _kovina , bomo imeli (T _f - T _voda ) in (T _f - T _kovina ). Voda se segreva, kovina pa se ohladi in zato negativni znak pomnoži ΔT _Kovinski odhod (T _Metal - T _f ). V nasprotnem primeru bi imel ΔT _Metal negativno vrednost, ker je T _f manjši (hladnejši) kot T _Metal .

Enačba se nato končno izrazi na ta način:

Ce _Metal = Ce _Voda · (T _f - T _Voda ) · m _Voda / (T _Metal - T _f ) · m _Kovina

In z njo se izračunajo specifične toplote.

Primer izračuna

Obstaja krogla čudne kovine, ki tehta 130g in ima temperaturo 90ºC. Ta je potopljena v 100 g posode z vodo pri 25 ° C, znotraj kalorimetra. Ko dosežemo toplotno ravnovesje, temperatura posode postane 40 ° C. Izračunajte Ce kovine.

Končna temperatura, T _f , je 40 ° C. Če poznamo ostale podatke, lahko nato Ce določimo neposredno:

Ce _Metal = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130 g

Ce _kovina = 0,965 J / ºC · g

Upoštevajte, da je specifična toplota vode približno štirikrat večja od kovine (4.184 / 0.965).

Ko je Ce zelo majhen, je večja njegova nagnjenost k segrevanju; kar je povezano s njegovo toplotno prevodnostjo in difuzijo. Kovina, ki ima višji Ce, pri stiku z drugim materialom običajno sprošča ali izgublja večjo toploto v primerjavi z drugo kovino z nižjim Ce.

Primeri

Spodaj so prikazane posebne vročine za različne snovi.

Voda

Specificirana toplota vode je 4,184 J / ° C · g.

Zahvaljujoč tej vrednosti lahko v oceanu dobi veliko sonca in voda komaj izhlapi v precejšnji meri. Posledica tega je toplotna razlika, ki ne vpliva na morsko življenje. Ko se na primer kopate na plaži, tudi če je zunaj zelo sončno, voda občuti nižjo, hladnejšo temperaturo.

Vroča voda mora sprostiti tudi veliko energije, da se ohladi. V tem času segreva krožene zračne mase in v zimskih dneh nekoliko zviša (zmerno) temperature v obalnih regijah.

Še en zanimiv primer je, da če ne bi bili narejeni iz vode, bi bil dan na soncu smrtonosen, ker bi se naša telesna temperatura hitro dvignila.

Ta edinstvena vrednost Ce je posledica medmolekulskih vodikovih vezi. Te absorbirajo toploto, da se razgradijo, zato shranjujejo energijo. Dokler se ne razbijejo, molekule vode ne bodo mogle vibrirati s povečanjem povprečne kinetične energije, kar se odraža v povečanju temperature.

Led

Specifična toplota ledu je 2090 J / ºC · g. Tako kot voda ima tudi nenavadno veliko vrednost. To pomeni, da bi na primer ledena gora morala absorbirati ogromno toplote, da bi zvišala svojo temperaturo. Vendar so nekatere ledene gore danes absorbirale celo toploto, potrebno za taljenje (latentna toplotna fuzija).

Aluminij

Specifična toplota aluminija je 0,900 J / ºC · g. Je nekoliko nižja od kovine v krogli (0,965 J / ºC · g). Tu se toplota absorbira, da vibrira kovinske atome aluminija v njihovih kristalnih strukturah in ne posameznih molekul, ki jih medmolekularne sile držijo skupaj.

Železo

Specifična toplota železa je 0,444 J / ºC · g. Ker je manjši od aluminija, pomeni, da nudi manj odpornosti pri segrevanju; to pomeni, da se bo pred ognjem košček železa obarval veliko prej kot kos aluminija.

Ker je aluminij bolj odporen proti segrevanju, hrani hrano dlje, ko se znana aluminijasta folija uporablja za zavijanje prigrizkov.

Zrak

Specifična toplota zraka je približno 1.003 J / ºC · g. Ta vrednost je zelo podvržena pritiskom in temperaturam, saj je sestavljena iz plinaste zmesi. Tu se toplota absorbira za vibriranje molekul dušika, kisika, ogljikovega dioksida, argona itd.

Srebrna

Končno je specifična toplota srebra 0,234 J / ºC · g. Od vseh omenjenih snovi ima najnižjo vrednost Ce, kar pomeni, da bi se kos srebra segreval veliko več hkrati z drugimi dvema kovinama. Pravzaprav se usklajuje s svojo visoko toplotno prevodnostjo.

Reference

Serway & Jewett. (2008). Fizika: za znanost in tehniko. (Sedma izdaja), letnik 1, Cengage Learning.
Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemija. (Osma izdaja). Cengage Learning.
Helmenstine, Anne Marie, dr. (5. november 2018). Specifična toplotna kapaciteta v kemiji. Pridobljeno: misel.com
Eric W. Weisstein. (2007). Specifična toplota. Pridobljeno iz: scienceworld.wolfram.com
R Ladja. (2016). Specifična toplota. Georgia State University. Pridobljeno: hiperfizika.fi-astr.gsu.edu
Wikipedija. (2019). Specifična toplota. Pridobljeno: es.wikipedia.org

SPECIFIČNA TOPLOTA: IZ ČESA JE SESTAVLJENA, KAKO SE IZRAČUNA IN PRIMERI - KEMIJA - 2026