V čem se měří měrná tepelná kapacita látky? „Množství tepla

Co si myslíte, že se na sporáku ohřeje rychleji: litr vody v kastrolu nebo samotný kastrol o váze 1 kilogram? Hmotnost těles je stejná, lze předpokládat, že ohřev bude probíhat stejnou rychlostí.

Ale to tam nebylo! Můžete udělat experiment – ​​prázdný kastrol položte na několik sekund na oheň, jen ho nespalte a zapamatujte si, na jakou teplotu se zahřál. A pak do pánve nalijte vodu o přesně stejné hmotnosti, jako je hmotnost pánve. Teoreticky by se voda měla ohřát na stejnou teplotu jako prázdná pánev za dvojnásobný čas, protože v tento případ ohřívají se obě - ​​jak voda, tak pánev.

I když však budete čekat třikrát déle, ujistěte se, že voda je stále méně ohřátá. Ohřátí vody na stejnou teplotu jako hrnci o stejné hmotnosti trvá téměř desetkrát déle. Proč se tohle děje? Co brání ohřívání vody? Proč bychom měli při vaření plýtvat plynem navíc na ohřev vody? Protože existuje Fyzické množství volal specifické teplo látek.

Měrná tepelná kapacita látky

Tato hodnota ukazuje, jaké množství tepla musí být předáno tělesu o hmotnosti jednoho kilogramu, aby se jeho teplota zvýšila o jeden stupeň Celsia. Měří se v J / (kg * ˚С). Tato hodnota neexistuje z rozmaru, ale kvůli rozdílu ve vlastnostech různých látek.

Měrné teplo vody je asi desetinásobek měrného tepla železa, takže hrnec se ohřeje desetkrát rychleji než voda v něm. Je zvláštní, že měrná tepelná kapacita ledu je poloviční ve srovnání s vodou. Led se proto zahřeje dvakrát rychleji než voda. Tání ledu je jednodušší než ohřev vody. Jakkoli to zní divně, je to fakt.

Výpočet množství tepla

Měrná tepelná kapacita je označena písmenem C A použitý ve vzorci pro výpočet množství tepla:

Q = c*m*(t2 - t1),

kde Q je množství tepla,
c - měrná tepelná kapacita,
m - tělesná hmotnost,
t2 a t1 jsou konečné a počáteční teploty tělesa.

Specifický tepelný vzorec: c = Q / m*(t2 - t1)

Můžete také vyjádřit z tohoto vzorce:

• m = Q / c*(t2-t1) - tělesná hmotnost
• t1 = t2 - (Q / c*m) - počáteční tělesná teplota
• t2 = t1 + (Q / c*m) - konečná tělesná teplota
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - teplotní rozdíl (delta t)

Jak je to s měrnou tepelnou kapacitou plynů? Všechno je zde více nepřehledné. S pevné látky a tekutiny jsou mnohem jednodušší. Jejich měrná tepelná kapacita je konstantní, známá, snadno vypočítatelná hodnota. Pokud jde o měrnou tepelnou kapacitu plynů, je tato hodnota velmi odlišná různé situace. Vezměme si jako příklad vzduch. Měrná tepelná kapacita vzduchu závisí na složení, vlhkosti a atmosférickém tlaku.

Zároveň s nárůstem teploty plyn zvětšuje svůj objem a my musíme zavést ještě jednu hodnotu - konstantní nebo proměnný objem, který také ovlivní tepelnou kapacitu. Proto se při výpočtu množství tepla pro vzduch a jiné plyny používají speciální grafy hodnot měrné tepelné kapacity plynů v závislosti na různých faktorech a podmínkách.

Specifické teplo

Tepelná kapacita tělesa je označena velkými písmeny Latinské písmeno S.

Co určuje tepelnou kapacitu tělesa? Především z její hmoty. Je jasné, že ohřátí např. 1 kilogramu vody bude vyžadovat více tepla než ohřátí 200 gramů.

A co druh látky? Udělejme experiment. Vezmeme dvě stejné nádoby a do jedné z nich nalijeme vodu o hmotnosti 400 g a do druhé rostlinný olej o hmotnosti 400 g a začneme je ohřívat pomocí stejných hořáků. Pozorováním údajů teploměrů uvidíme, že se olej zahřívá rychleji. Aby se voda a olej ohřály na stejnou teplotu, musí se voda ohřívat déle. Čím déle ale vodu ohříváme, tím více tepla dostává od hořáku.

Tedy k zahřátí stejné hmoty různé látky na stejnou teplotu jiná částka teplo. Množství tepla potřebného k zahřátí tělesa a následně i jeho tepelná kapacita závisí na druhu látky, ze které je toto těleso složeno.

Takže například ke zvýšení teploty vody o hmotnosti 1 kg o 1 °C je potřeba množství tepla rovné 4200 J a k zahřátí stejné hmoty o 1 °C slunečnicový olej je zapotřebí množství tepla rovné 1700 J.

Fyzikální veličina udávající, kolik tepla je potřeba k ohřátí 1 kg látky o 1 °C, se nazývá měrné teplo této látky.

Každá látka má svou specifickou tepelnou kapacitu, která se označuje latinským písmenem c a měří se v joulech na kilogram-stupeň (J / (kg K)).

Měrná tepelná kapacita téže látky v různých skupenstvích agregátů (pevné, kapalné a plynné) je různá. Například měrná tepelná kapacita vody je 4200 J/(kg K) a měrná tepelná kapacita ledu J/(kg K) ; hliník v pevném stavu má specifickou tepelnou kapacitu 920 J / (kg K) a v kapalině - J / (kg K).

Všimněte si, že voda má velmi vysokou měrnou tepelnou kapacitu. Voda v mořích a oceánech, která se v létě zahřívá, proto absorbuje velké množství tepla ze vzduchu. Díky tomu v místech, která se nacházejí v blízkosti velkých vodních ploch, není léto tak horké jako v místech daleko od vody.

Měrná tepelná kapacita pevných látek

V tabulce jsou uvedeny průměrné hodnoty měrné tepelné kapacity látek v teplotním rozsahu od 0 do 10 °C (pokud není uvedena jiná teplota)

Měrná tepelná kapacita kapalin

Měrná tepelná kapacita kovů a slitin

Měrná tepelná kapacita roztavených kovů a zkapalněných slitin

Měrná tepelná kapacita plynů a par

pod normálem atmosférický tlak

Voda je jedna z nejúžasnějších látek. Navzdory širokému rozšíření a širokému použití je skutečnou záhadou přírody. Jako jedna ze sloučenin kyslíku by se zdálo, že voda by měla mít velmi nízké vlastnosti, jako je mrznutí, výparné teplo atd. Ale to se neděje. Tepelná kapacita samotné vody je navzdory všemu extrémně vysoká.

Voda je schopna absorbovat obrovské množství tepla, přičemž se sama prakticky nezahřívá - to je její fyzikální vlastnost. voda je asi pětkrát vyšší než tepelná kapacita písku a desetkrát vyšší než tepelná kapacita železa. Voda je proto přirozené chladivo. Jeho schopnost akumulace velký počet energie umožňuje vyhladit teplotní výkyvy na povrchu Země a regulovat tepelný režim na celé planetě, a to se děje bez ohledu na roční období.

Tato jedinečná vlastnost vody umožňuje její použití jako chladicí kapaliny v průmyslu i v domácnosti. Voda je navíc široce dostupná a relativně levná surovina.

Co znamená tepelná kapacita? Jak je známo z průběhu termodynamiky, k přenosu tepla dochází vždy z horkého tělesa do studeného. V tomto případě mluvíme o přechodu určitého množství tepla a teplota obou těles, která je charakteristická pro jejich stav, ukazuje směr této výměny. V procesu kovového těla s vodou stejná hmotnost při stejných počátečních teplotách mění kov svou teplotu několikrát více než voda.

Vezmeme-li jako postulát hlavní tvrzení termodynamiky - ze dvou těles (izolovaných od ostatních) při výměně tepla jedno odevzdává a druhé přijímá stejné množství tepla, pak je jasné, že kov a voda mají zcela odlišné teplo. kapacity.

Tepelná kapacita vody (stejně jako jakékoli látky) je tedy ukazatel, který charakterizuje schopnost dané látky dávat (nebo přijímat) část při ochlazování (ohřívání) na jednotku teploty.

Měrná tepelná kapacita látky je množství tepla potřebné k ohřátí jednotky této látky (1 kilogram) o 1 stupeň.

Množství tepla uvolněného nebo absorbovaného tělesem se rovná součinu měrné tepelné kapacity, hmotnosti a teplotního rozdílu. Měří se v kaloriích. Jedna kalorie je přesně takové množství tepla, které stačí k ohřátí 1 g vody o 1 stupeň. Pro srovnání: měrná tepelná kapacita vzduchu je 0,24 cal/g ∙°C, hliníku 0,22, železa 0,11 a rtuti 0,03.

Tepelná kapacita vody není konstantní. Se zvýšením teploty z 0 na 40 stupňů mírně klesá (z 1,0074 na 0,9980), zatímco u všech ostatních látek se tato charakteristika během ohřevu zvyšuje. Navíc se může s rostoucím tlakem (v hloubce) snižovat.

Jak víte, voda má tři skupenství agregace – kapalné, pevné (led) a plynné (pára). Přitom měrná tepelná kapacita ledu je přibližně 2x nižší než u vody. To je hlavní rozdíl mezi vodou a ostatními látkami, jejichž měrná tepelná kapacita se v pevném a roztaveném stavu nemění. Jaké je zde tajemství?

Faktem je, že led má krystalickou strukturu, která se při zahřátí okamžitě nezhroutí. Voda obsahuje malé částice ledu, které se skládají z několika molekul a nazývají se asociáty. Při zahřívání vody se část vynakládá na zničení vodíkových vazeb v těchto formacích. To vysvětluje neobvykle vysokou tepelnou kapacitu vody. Vazby mezi jeho molekulami jsou zcela zničeny pouze tehdy, když voda přechází do páry.

Měrná tepelná kapacita při teplotě 100 ° C se téměř neliší od kapacity ledu při 0 ° C. To opět potvrzuje správnost tohoto vysvětlení. Tepelná kapacita páry, stejně jako tepelná kapacita ledu, je nyní mnohem lépe pochopena než kapacita vody, na které vědci dosud nedospěli ke konsenzu.

Měrná tepelná kapacita je vlastnost látky. To znamená, že pro různé látky je to různé. Kromě toho má stejná látka, ale v různých stavech agregace, různé specifické tepelné kapacity. Správně je tedy hovořit o měrné tepelné kapacitě látky (měrná tepelná kapacita vody, měrná tepelná kapacita zlata, měrná tepelná kapacita dřeva atd.).

Měrná tepelná kapacita konkrétní látky ukazuje, jaké množství tepla (Q) jí musí být předáno, aby se 1 kilogram této látky ohřál o 1 stupeň Celsia. Měrná tepelná kapacita se označuje latinským písmenem c. To znamená, c = Q/mt. Uvážíme-li, že t a m se rovnají jedné (1 kg a 1 °C), pak se měrná tepelná kapacita číselně rovná množství tepla.

Teplo a měrné teplo však mají různé jednotky. Teplo (Q) v systému C se měří v joulech (J). A měrná tepelná kapacita je v joulech dělená kilogramem násobeným stupněm Celsia: J / (kg °C).

Pokud je měrná tepelná kapacita látky např. 390 J / (kg °C), pak to znamená, že pokud se 1 kg této látky zahřeje o 1 °C, pohltí 390 J tepla. Nebo jinak řečeno, aby se 1 kg této látky zahřál o 1 °C, musí se jí předat 390 J tepla. Nebo pokud se 1 kg této látky ochladí o 1 °C, vydá 390 J tepla.

Pokud se však ne 1, ale 2 kg látky ohřeje o 1 °C, musí se jí předat dvakrát více tepla. Takže pro příklad výše to bude již 780 J. Totéž se stane, pokud se 1 kg látky zahřeje o 2 °C.

Měrná tepelná kapacita látky nezávisí na její počáteční teplotě. To znamená, že pokud má například kapalná voda měrnou tepelnou kapacitu 4200 J / (kg °C), pak ohřev i dvacetistupňové nebo devadesátistupňové vody o 1 °C bude stejně vyžadovat 4200 J tepla na 1 kg. .

Ale led má specifickou tepelnou kapacitu odlišnou od kapalné vody, téměř dvakrát menší. Aby se však ohřál o 1 °C, bude to trvat stejné číslo tepla na 1 kg, bez ohledu na jeho počáteční teplotu.

Měrná tepelná kapacita také nezávisí na tvaru tělesa, které je z dané látky vyrobeno. Ocelová tyč a ocelový plech, které mají stejnou hmotnost, budou vyžadovat stejné množství tepla, aby se zahřály o stejný počet stupňů. Další věc je, že v tomto případě je třeba zanedbat výměnu tepla s životní prostředí. Plech má větší povrch než lišta, což znamená, že plech vydává více tepla, a proto rychleji chladne. Ale v ideální podmínky(když lze tepelné ztráty zanedbat) na tvaru těla nezáleží. Proto říkají, že specifické teplo je charakteristikou látky, ale ne tělesa.

Měrná tepelná kapacita různých látek je tedy různá. To znamená, že pokud je dáno různé látky o stejné hmotnosti a se stejnou teplotou, pak aby je ohřály na jinou teplotu, potřebují předat jiné množství tepla. Například kilogram mědi bude vyžadovat asi 10krát méně tepla než voda. To znamená, že měrná tepelná kapacita mědi je asi 10krát menší než u vody. Můžeme říci, že "do mědi je umístěno méně tepla."

Množství tepla, které musí být tělu předáno, aby se zahřálo z jedné teploty na druhou, se zjistí podle následujícího vzorce:

Q \u003d cm (t až - t n)

Zde t to a t n jsou konečné a počáteční teploty, m je hmotnost látky, c je její měrné teplo. Měrná tepelná kapacita se obvykle přebírá z tabulek. Z tohoto vzorce lze vyjádřit měrnou tepelnou kapacitu.

Měrná tepelná kapacita je energie potřebná ke zvýšení teploty 1 gramu čisté látky o 1°. Parametr závisí na chemické složení a stav agregace: plynný, kapalný nebo pevný. Po jeho objevu začalo nové kolo vývoje termodynamiky, vědy o procesech energetického přechodu, které se týkají tepla a fungování systému.

Obvykle, Při výrobě se využívá měrná tepelná kapacita a základy termodynamiky chladiče a systémy určené pro chlazení vozidel, dále v chemii, jaderném inženýrství a aerodynamice. Pokud chcete vědět, jak se počítá měrná tepelná kapacita, podívejte se na navrhovaný článek.

Než budete pokračovat v přímém výpočtu parametru, měli byste se seznámit se vzorcem a jeho složkami.

Vzorec pro výpočet měrné tepelné kapacity je následující:

• с = Q/(m*∆T)

Znalost veličin a jejich symbolických označení použitých při výpočtu je nesmírně důležitá. Je však nutné znát nejen jejich vizuální podobu, ale také jasně chápat význam každého z nich. Výpočet měrné tepelné kapacity látky představují následující složky:

ΔT je symbol označující postupnou změnu teploty látky. Symbol "Δ" se vyslovuje jako delta.

ΔT = t2–t1, kde

• t1 je primární teplota;
• t2 je konečná teplota po změně.

m je hmotnost látky použité k ohřevu (g).

Q - množství tepla (J / J)

Na základě CR lze odvodit další rovnice:

• Q \u003d m * cp * ΔT - množství tepla;
• m = Q/cr * (t2 - t1) - hmotnost látky;
• t1 = t2–(Q/цp*m) – primární teplota;
• t2 = t1+(Q/цp*m) – konečná teplota.

Pokyny pro výpočet parametru

1. Vzít kalkulační vzorec: Tepelná kapacita = Q/(m*∆T)
2. Zapište původní údaje.
3. Zapojte je do vzorce.
4. Proveďte výpočet a získejte výsledek.

Jako příklad si spočítejme neznámou látku o hmotnosti 480 gramů a teplotě 15ºC, která se v důsledku zahřátí (dodání 35 tisíc J) zvýšila na 250º.

Podle výše uvedených pokynů provádíme následující akce:

Vypíšeme počáteční údaje:

• Q = 35 tisíc J;
• m = 480 g;
• ΔT = t2–t1 = 250–15 = 235 °C.

Vezmeme vzorec, dosadíme hodnoty a vyřešíme:

с=Q/(m*∆T)=35 tisíc J/(480 g*235º)=35 tisíc J/(112800 g*º)=0,31 J/g*º.

Výpočet

Proveďme výpočet C P voda a cín za následujících podmínek:

• m = 500 gramů;
• t1 = 24 °C a t2 = 80 °C - pro vodu;
• t1 = 20 °C a t2 = 180 °C - pro cín;
• Q = 28 tisíc J.

Nejprve určíme ΔT pro vodu a cín:

• ΔTv = t2–t1 = 80–24 = 56ºC
• ΔТо = t2–t1 = 180–20 =160 °C

Potom zjistíme měrnou tepelnou kapacitu:

1. c \u003d Q / (m * ΔTv) \u003d 28 tisíc J / (500 g * 56 °C) \u003d 28 tisíc J / (28 tisíc g * °C) \u003d 1 J / g * °C.
2. с=Q/(m*ΔТо)=28 tisíc J/(500 g*160ºC)=28 tisíc J/(80 tisíc g*ºC)=0,35 J/g*ºC.

Měrná tepelná kapacita vody tedy byla 1 J/g*ºC a cínu 0,35 J/g*ºC. Z toho můžeme usoudit, že při stejné hodnotě vstupního tepla 28 tisíc J se cín zahřeje rychleji než voda, protože jeho tepelná kapacita je menší.

Tepelnou kapacitu mají nejen plyny, kapaliny a pevné látky, ale také potraviny.

Jak vypočítat tepelnou kapacitu potravin

Při výpočtu výkonové kapacity rovnice bude mít následující tvar:

c=(4,180*š)+(1,711*p)+(1,928*f)+(1,547*c)+(0,908*a), kde:

• w je množství vody v produktu;
• p je množství bílkovin v produktu;
• f je procento tuku;
• c je procento sacharidů;
• a je procento anorganických složek.

Určete tepelnou kapacitu taveného smetanového sýra Viola. K tomu vypisujeme požadované hodnoty ze složení produktu (váha 140 gramů):

• voda - 35 g;
• bílkoviny - 12,9 g;
• tuky - 25,8 g;
• sacharidy - 6,96 g;
• anorganické složky - 21 g.

Pak najdeme s:

• c=(4,180*š)+(1,711*p)+(1,928*f)+(1,547*c)+(0,908*a)=(4,180*35)+(1,711*12,9)+(1,928*25,8 ) + (1,547*6,96)+(0,908*21)=146,3+22,1+49,7+10,8+19,1=248 kJ/kg*ºC.

Vždy pamatujte, že:

• proces zahřívání kovu je rychlejší než u vody, protože ano C P 2,5krát méně;
• pokud je to možné, transformujte získané výsledky na více vysoký řád pokud to podmínky dovolí;
• pro kontrolu výsledků můžete použít internet a vyhledat vypočítanou látku;
• s rovným experimentální podmínky výraznější změny teploty budou pozorovány u materiálů s nízkou měrnou tepelnou kapacitou.