Aká je merná tepelná kapacita látky? „Množstvo tepla

Čo si myslíte, že sa na sporáku rýchlejšie zohreje: liter vody v hrnci alebo samotná panvica s hmotnosťou 1 kilogram? Hmotnosť telies je rovnaká, dá sa predpokladať, že zahrievanie bude prebiehať rovnakou rýchlosťou.

Ale to tam nebolo! Môžete urobiť experiment - položte prázdnu panvicu na niekoľko sekúnd na oheň, len ju nespálite a pamätajte, na akú teplotu sa zahriala. A potom nalejte vodu do panvice presne rovnakej hmotnosti, ako je hmotnosť panvice. Teoreticky by sa voda mala zohriať na rovnakú teplotu ako prázdna panvica za dvojnásobný čas, keďže v tento prípad ohrievajú sa obe - voda aj panvica.

Aj keď budete čakať trikrát dlhšie, dbajte na to, aby bola voda stále menej zohriata. Voda trvá takmer desaťkrát dlhšie, kým sa zohreje na rovnakú teplotu ako hrniec s rovnakou hmotnosťou. Prečo sa to deje? Čo bráni ohrevu vody? Prečo by sme pri varení mali plytvať plynom navyše na ohrev vody? Pretože existuje fyzikálne množstvo volal špecifické teplo látok.

Špecifická tepelná kapacita látky

Táto hodnota ukazuje, koľko tepla treba odovzdať telesu s hmotnosťou jedného kilogramu, aby sa jeho teplota zvýšila o jeden stupeň Celzia. Meria sa v J / (kg * ˚С). Táto hodnota neexistuje z rozmaru, ale z dôvodu rozdielu vo vlastnostiach rôznych látok.

Špecifické teplo vody je asi desaťkrát väčšie ako špecifické teplo železa, takže hrniec sa zohreje desaťkrát rýchlejšie ako voda v ňom. Zvláštne je, že merná tepelná kapacita ľadu je polovičná v porovnaní s vodou. Preto sa ľad zohreje dvakrát rýchlejšie ako voda. Roztopenie ľadu je jednoduchšie ako ohrev vody. Akokoľvek zvláštne to znie, je to fakt.

Výpočet množstva tepla

Merná tepelná kapacita je označená písmenom c a použité vo vzorci na výpočet množstva tepla:

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

kde Q je množstvo tepla,
c - merná tepelná kapacita,
m - telesná hmotnosť,
t2 a t1 sú konečné a počiatočné teploty telesa.

Špecifický vzorec tepla: c = Q / m* (t2 - t1)

Môžete tiež vyjadriť z tohto vzorca:

• m = Q / c*(t2-t1) - telesná hmotnosť
• t1 = t2 - (Q / c * m) - počiatočná telesná teplota
• t2 = t1 + (Q / c*m) - konečná telesná teplota
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - teplotný rozdiel (delta t)

Ako je to s mernou tepelnou kapacitou plynov? Všetko je tu viac mätúce. OD pevné látky a tekutiny sú oveľa jednoduchšie. Ich merná tepelná kapacita je konštantná, známa, ľahko vypočítateľná hodnota. Pokiaľ ide o špecifickú tepelnú kapacitu plynov, táto hodnota je veľmi odlišná rôzne situácie. Vezmime si ako príklad vzduch. Merná tepelná kapacita vzduchu závisí od zloženia, vlhkosti a atmosférického tlaku.

Zároveň s nárastom teploty plyn zväčšuje svoj objem a musíme zaviesť ešte jednu hodnotu - konštantný alebo premenlivý objem, ktorý tiež ovplyvní tepelnú kapacitu. Preto sa pri výpočte množstva tepla pre vzduch a iné plyny používajú špeciálne grafy pre hodnoty špecifickej tepelnej kapacity plynov v závislosti od rôznych faktorov a podmienok.

Špecifické teplo

Tepelná kapacita telesa je označená veľkými písmenami latinské písmeno OD.

Čo určuje tepelnú kapacitu telesa? V prvom rade z jeho masy. Je jasné, že ohriatie napríklad 1 kilogramu vody bude vyžadovať viac tepla ako ohriatie 200 gramov.

A čo druh látky? Urobme experiment. Vezmime si dve rovnaké nádoby a do jednej z nich nalejeme vodu s hmotnosťou 400 g a do druhej rastlinný olej s hmotnosťou 400 g a začneme ich ohrievať pomocou rovnakých horákov. Pozorovaním údajov teplomerov uvidíme, že sa olej zohreje rýchlejšie. Aby sa voda a olej zohriali na rovnakú teplotu, musí sa voda ohrievať dlhšie. Ale čím dlhšie vodu ohrievame, tým viac tepla dostáva od horáka.

Teda na zahriatie rovnakej hmoty rôzne látky na rovnakú teplotu iná suma teplo. Množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa a následne aj jeho tepelná kapacita závisí od druhu látky, z ktorej sa teleso skladá.

Napríklad na zvýšenie teploty vody s hmotnosťou 1 kg o 1 °C je potrebné množstvo tepla rovnajúce sa 4200 J a na zahriatie tej istej hmoty o 1 °C. slnečnicový olej je potrebné množstvo tepla rovnajúce sa 1700 J.

Fyzikálna veličina, ktorá ukazuje, koľko tepla je potrebné na zohriatie 1 kg látky o 1 °C, sa nazýva merné teplo tejto látky.

Každá látka má svoju špecifickú tepelnú kapacitu, ktorá sa označuje latinským písmenom c a meria sa v jouloch na kilogram-stupeň (J / (kg K)).

Merná tepelná kapacita tej istej látky v rôznych agregovaných skupenstvách (tuhé, kvapalné a plynné) je rôzna. Napríklad merná tepelná kapacita vody je 4200 J/(kg K) a špecifická tepelná kapacita ľadu J/(kg K) ; hliník v pevnom stave má špecifickú tepelnú kapacitu 920 J / (kg K) a v kvapaline - J / (kg K) .

Všimnite si, že voda má veľmi vysokú špecifickú tepelnú kapacitu. Preto voda v moriach a oceánoch, ktorá sa v lete zahrieva, absorbuje veľké množstvo tepla zo vzduchu. Z tohto dôvodu na miestach, ktoré sa nachádzajú v blízkosti veľkých vodných plôch, leto nie je také horúce ako na miestach ďaleko od vody.

Špecifická tepelná kapacita pevných látok

V tabuľke sú uvedené priemerné hodnoty špecifickej tepelnej kapacity látok v teplotnom rozsahu od 0 do 10 ° C (ak nie je uvedená iná teplota)

Špecifická tepelná kapacita kvapalín

Merná tepelná kapacita kovov a zliatin

Špecifická tepelná kapacita roztavených kovov a skvapalnených zliatin

Špecifická tepelná kapacita plynov a pár

za normálnych podmienok atmosferický tlak

Voda je jedna z najúžasnejších látok. Napriek širokému rozšíreniu a širokému použitiu je skutočnou záhadou prírody. Ako jedna z kyslíkových zlúčenín by sa zdalo, že voda by mala mať veľmi nízke vlastnosti, ako je mrznutie, výparné teplo atď. Ale to sa nestáva. Tepelná kapacita samotnej vody je napriek všetkému extrémne vysoká.

Voda je schopná absorbovať obrovské množstvo tepla, pričom sa sama prakticky nezohrieva - to je jej fyzikálna vlastnosť. voda je asi päťkrát vyššia ako tepelná kapacita piesku a desaťkrát vyššia ako tepelná kapacita železa. Preto je voda prirodzeným chladivom. Jeho schopnosť akumulácie veľké množstvo energie umožňuje vyhladiť teplotné výkyvy na povrchu Zeme a regulovať tepelný režim na celej planéte, a to sa deje bez ohľadu na ročné obdobie.

Táto jedinečná vlastnosť vody umožňuje jej použitie ako chladiacej kvapaliny v priemysle aj v domácnosti. Voda je navyše široko dostupná a relatívne lacná surovina.

Čo znamená tepelná kapacita? Ako je známe z priebehu termodynamiky, k prenosu tepla dochádza vždy z horúceho telesa do studeného. V tomto prípade hovoríme o prechode určitého množstva tepla a teplota oboch telies, ktorá je charakteristická pre ich stav, ukazuje smer tejto výmeny. V procese kovového tela s vodou rovnakú hmotnosť pri rovnakých počiatočných teplotách mení kov svoju teplotu niekoľkonásobne viac ako voda.

Ak vezmeme ako postulát hlavné tvrdenie termodynamiky - z dvoch telies (izolovaných od ostatných), počas výmeny tepla, jedno vydáva a druhé prijíma rovnaké množstvo tepla, potom je jasné, že kov a voda majú úplne odlišné teplo. kapacity.

Tepelná kapacita vody (ako aj akejkoľvek látky) je teda ukazovateľom, ktorý charakterizuje schopnosť danej látky dať (alebo prijať) časť počas chladenia (ohrievania) na jednotku teploty.

Merná tepelná kapacita látky je množstvo tepla potrebné na zohriatie jednotky tejto látky (1 kilogram) o 1 stupeň.

Množstvo tepla uvoľneného alebo absorbovaného telesom sa rovná súčinu mernej tepelnej kapacity, hmotnosti a teplotného rozdielu. Meria sa v kalóriách. Jedna kalória je presne také množstvo tepla, ktoré stačí na zohriatie 1 g vody o 1 stupeň. Pre porovnanie: merná tepelná kapacita vzduchu je 0,24 cal/g ∙°C, hliníka 0,22, železa 0,11 a ortuti 0,03.

Tepelná kapacita vody nie je konštantná. So zvýšením teploty od 0 do 40 stupňov sa mierne znižuje (z 1,0074 na 0,9980), zatiaľ čo pre všetky ostatné látky sa táto charakteristika počas zahrievania zvyšuje. Navyše môže klesať so zvyšujúcim sa tlakom (v hĺbke).

Ako viete, voda má tri stavy agregácie - kvapalné, pevné (ľad) a plynné (para). Zároveň je merná tepelná kapacita ľadu približne 2-krát nižšia ako u vody. Toto je hlavný rozdiel medzi vodou a inými látkami, ktorých merná tepelná kapacita sa v pevnom a roztavenom stave nemení. Aké je tu tajomstvo?

Faktom je, že ľad má kryštalickú štruktúru, ktorá sa pri zahriatí okamžite nezrúti. Voda obsahuje malé častice ľadu, ktoré pozostávajú z niekoľkých molekúl a nazývajú sa asociáty. Pri zahrievaní vody sa časť vynakladá na zničenie vodíkových väzieb v týchto formáciách. To vysvetľuje nezvyčajne vysokú tepelnú kapacitu vody. Väzby medzi jeho molekulami sú úplne zničené až vtedy, keď voda prechádza do pary.

Špecifická tepelná kapacita pri teplote 100 ° C sa takmer nelíši od kapacity ľadu pri 0 ° C. To opäť potvrdzuje správnosť tohto vysvetlenia. Tepelná kapacita pary, podobne ako tepelná kapacita ľadu, je teraz oveľa lepšie pochopená ako kapacita vody, na ktorej vedci ešte nedospeli k zhode.

Špecifická tepelná kapacita je vlastnosťou látky. To znamená, že pre rôzne látky je to rôzne. Navyše tá istá látka, ale v rôznych stavoch agregácie, má rôzne špecifické tepelné kapacity. Správne je teda hovoriť o mernej tepelnej kapacite látky (merná tepelná kapacita vody, merná tepelná kapacita zlata, merná tepelná kapacita dreva atď.).

Merná tepelná kapacita konkrétnej látky ukazuje, koľko tepla (Q) jej treba odovzdať, aby sa 1 kilogram tejto látky zohrial o 1 stupeň Celzia. Špecifická tepelná kapacita sa označuje latinským písmenom c. To znamená, že c = Q/mt. Ak vezmeme do úvahy, že t a m sú rovné jednej (1 kg a 1 °C), potom sa merná tepelná kapacita číselne rovná množstvu tepla.

Teplo a špecifické teplo však majú rôzne jednotky. Teplo (Q) v systéme C sa meria v jouloch (J). A merná tepelná kapacita je v jouloch delená kilogramom vynásobená stupňom Celzia: J / (kg ° C).

Ak je merná tepelná kapacita látky napríklad 390 J / (kg ° C), potom to znamená, že ak sa 1 kg tejto látky zahreje o 1 ° C, absorbuje 390 J tepla. Alebo inými slovami, aby sa 1 kg tejto látky zohrial o 1 °C, musí sa do nej odovzdať 390 J tepla. Alebo ak sa 1 kg tejto látky ochladí o 1 ° C, vydá 390 J tepla.

Ak sa však nie 1, ale 2 kg látky zohreje o 1 °C, musí sa jej odovzdať dvakrát toľko tepla. Takže pre príklad vyššie to už bude 780 J. To isté sa stane, ak sa 1 kg látky zahreje o 2 ° C.

Špecifická tepelná kapacita látky nezávisí od jej počiatočnej teploty. To znamená, že ak má napríklad tekutá voda mernú tepelnú kapacitu 4200 J / (kg °C), potom ohrev aspoň dvadsaťstupňovej alebo deväťdesiatstupňovej vody o 1 °C bude rovnako vyžadovať 4200 J tepla na 1 kg.

Ľad má však špecifickú tepelnú kapacitu odlišnú od tekutej vody, takmer dvakrát menšiu. Aby sa však zohriala o 1 °C, bude to trvať rovnaké číslo tepla na 1 kg, bez ohľadu na jeho počiatočnú teplotu.

Merná tepelná kapacita tiež nezávisí od tvaru telesa, ktoré je z danej látky vyrobené. Oceľová tyč a oceľový plech, ktoré majú rovnakú hmotnosť, budú vyžadovať rovnaké množstvo tepla, aby sa zohriali o rovnaký počet stupňov. Iná vec je, že v tomto prípade treba zanedbať výmenu tepla s životné prostredie. Plech má väčší povrch ako lišta, čo znamená, že plech vydáva viac tepla, a preto rýchlejšie vychladne. Ale v ideálne podmienky(keď možno zanedbať tepelné straty) na tvare tela nezáleží. Preto hovoria, že špecifické teplo je charakteristikou látky, ale nie telesa.

Špecifická tepelná kapacita rôznych látok je teda rôzna. To znamená, že ak je daný rôzne látky rovnakej hmotnosti a s rovnakou teplotou, potom aby sa zohriali na inú teplotu, potrebujú odovzdať iné množstvo tepla. Napríklad kilogram medi bude vyžadovať asi 10-krát menej tepla ako voda. To znamená, že špecifická tepelná kapacita medi je asi 10-krát menšia ako kapacita vody. Môžeme povedať, že "menej tepla je umiestnené v medi."

Množstvo tepla, ktoré sa musí preniesť do tela, aby sa zohrialo z jednej teploty na druhú, sa zistí podľa nasledujúceho vzorca:

Q \u003d cm (t až - t n)

Tu t to a t n sú konečné a počiatočné teploty, m je hmotnosť látky, c je jej špecifické teplo. Merná tepelná kapacita sa zvyčajne preberá z tabuliek. Z tohto vzorca možno vyjadriť mernú tepelnú kapacitu.

Špecifické teplo je energia potrebná na zvýšenie teploty 1 gramu čistej látky o 1 °. Parameter závisí od chemické zloženie a stav agregácie: plynný, kvapalný alebo pevný. Po jeho objave sa začalo nové kolo vývoja termodynamiky, vedy o procesoch prechodu energie, ktoré súvisia s teplom a fungovaním systému.

zvyčajne Pri výrobe sa využíva merná tepelná kapacita a základy termodynamiky chladiče a systémy určené na chladenie vozidiel, ako aj v chémii, jadrovom inžinierstve a aerodynamike. Ak chcete vedieť, ako sa vypočítava špecifická tepelná kapacita, pozrite si navrhovaný článok.

Pred priamym výpočtom parametra by ste sa mali oboznámiť so vzorcom a jeho zložkami.

Vzorec na výpočet špecifickej tepelnej kapacity je nasledujúci:

• с = Q/(m*∆T)

Znalosť veličín a ich symbolických označení použitých pri výpočte je mimoriadne dôležitá. Je však potrebné nielen poznať ich vizuálny vzhľad, ale aj jasne pochopiť význam každého z nich. Výpočet špecifickej tepelnej kapacity látky predstavujú tieto zložky:

ΔT je symbol označujúci postupnú zmenu teploty látky. Symbol "Δ" sa vyslovuje ako delta.

ΔT = t2–t1, kde

• t1 je primárna teplota;
• t2 je konečná teplota po zmene.

m je hmotnosť látky použitej na ohrev (g).

Q - množstvo tepla (J / J)

Na základe CR možno odvodiť ďalšie rovnice:

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

Pokyny na výpočet parametra

1. Vezmite kalkulačný vzorec: Tepelná kapacita = Q/(m*∆T)
2. Vypíšte pôvodné údaje.
3. Zapojte ich do vzorca.
4. Vykonajte výpočet a získajte výsledok.

Ako príklad si vypočítajme neznámu látku s hmotnosťou 480 gramov a teplotou 15ºC, ktorá sa v dôsledku zahriatia (dodávkou 35 tisíc J) zvýšila na 250º.

Podľa vyššie uvedených pokynov vykonávame nasledujúce akcie:

Zapisujeme počiatočné údaje:

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

Vezmeme vzorec, nahradíme hodnoty a vyriešime:

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

Kalkulácia

Vykonajte výpočet C P voda a cín za nasledujúcich podmienok:

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

Najprv určíme ΔT pre vodu a cín:

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

Potom zistíme špecifickú tepelnú 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.

Špecifická tepelná kapacita vody teda bola 1 J/g*ºC a cínu 0,35 J/g*ºC. Z toho môžeme usudzovať, že pri rovnakej hodnote vstupného tepla 28 tisíc J sa cín zohreje rýchlejšie ako voda, pretože jeho tepelná kapacita je menšia.

Tepelnú kapacitu majú nielen plyny, kvapaliny a pevné látky, ale aj potraviny.

Ako vypočítať tepelnú kapacitu potravín

Pri výpočte výkonovej kapacity rovnica bude mať nasledujúci tvar:

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

• w je množstvo vody v produkte;
• p je množstvo bielkovín v produkte;
• f je percento tuku;
• c je percento sacharidov;
• a je percento anorganických zložiek.

Určite tepelnú kapacitu taveného smotanového syra Viola. K tomu píšeme požadované hodnoty zo zloženia výrobku (hmotnosť 140 gramov):

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

Potom nájdeme pomocou:

• 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 si pamätajte, že:

• proces zahrievania kovu je rýchlejší ako proces vody, pretože má C P 2,5 krát menej;
• ak je to možné, konvertujte výsledky na viac vysoký poriadok ak to podmienky umožňujú;
• na kontrolu výsledkov môžete použiť internet a vyhľadať vypočítanú látku;
• s rovným experimentálnych podmienkach výraznejšie zmeny teploty budú pozorované v materiáloch s nízkou mernou tepelnou kapacitou.