ĪPATNĒJAIS SILTUMS: NO KĀ TAS SASTĀV, KĀ TAS TIEK APRĒĶINĀTS UN PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Siltumietilpība ir enerģijas daudzums, kas absorbē vienu gramu vielas, lai palielinātu savu temperatūru par vienu grādu pēc Celsija. Tas ir intensīvs fiziskais īpašums, jo tas nav atkarīgs no masas, jo to izsaka tikai vienam gramam vielas; tomēr tas ir saistīts ar daļiņu skaitu un to molāro masu, kā arī ar starpmolekulārajiem spēkiem, kas tos saista.

Vielas absorbētais enerģijas daudzums tiek izteikts džoula vienībās (J) un retāk kalorijās (Cal). Parasti tiek pieņemts, ka enerģiju absorbē siltums; tomēr enerģija var nākt no cita avota, piemēram, pie vielas veiktā darba (piemēram, stingra maisīšana).

Verdošs ūdens. Avots: Pixabay

Attēlā parādīts tējkanna, no kuras izdalās ūdens tvaiki, kas rodas tā sildīšanas laikā. Lai sildītu ūdeni, tam jāuztver siltums no liesmas, kas atrodas zem tējkannas. Tādējādi, laikam ejot, un atkarībā no uguns intensitātes ūdens vārīsies, kad tas sasniegs viršanas temperatūru.

Īpatnējais siltums nosaka, cik daudz enerģijas ūdens patērē par katru ºC grādu, paaugstinoties tā temperatūrai. Šī vērtība ir nemainīga, ja tajā pašā tējkannā tiek uzkarsēti dažādi ūdens tilpumi, jo, kā minēts sākumā, tā ir intensīva īpašība.

Tas, kas mainās, ir kopējais enerģijas daudzums, ko absorbē katra apsildāmā ūdens masa, saukta arī par siltuma jaudu. Jo lielāka ir karsējamā ūdens masa (2, 4, 10, 20 litri), jo lielāka ir tā siltuma jauda; bet tā īpatnējais siltums nemainās.

Šis īpašums ir atkarīgs no spiediena, temperatūras un tilpuma; tomēr vienkāršas izpratnes labad to atbilstošās variācijas ir izlaistas.

Kas ir īpatnējais siltums?

Tika definēts, kāds īpatnējais siltums ir paredzēts konkrētai vielai. Tomēr tā patieso nozīmi labāk izsaka ar formulu, kas caur vienībām ļauj skaidri saprast, ar kādiem klīrensu tas saistīts, analizējot mainīgos, no kuriem tas atkarīgs. Tās formula ir:

Ce = Q / ΔT m

Kur Q ir absorbētais siltums, ΔT temperatūras izmaiņas, un m ir vielas masa; ka saskaņā ar definīciju atbilst gramam. Veicot tās vienību analīzi, mums ir:

Ce = J / ºC · g

To var izteikt arī šādi:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · kg

Pirmais no tiem ir vienkāršākais, un tieši ar to piemērosimies turpmākajās sadaļās.

Formula skaidri norāda enerģijas daudzumu, ko absorbē (J) viens grams vielas vienā grādā ºC. Ja mēs gribētu iztīrīt šo enerģijas daudzumu, mums J vienādojums jāatstāj malā:

J = Ce · ºC · g

Tas, kas izteikts piemērotākā veidā un atbilstoši mainīgajiem lielumiem, būtu:

Q = Ce ΔT m

Kā tiek aprēķināts īpatnējais siltums?

Ūdens kā atsauce

Iepriekšminētajā formulā “m” nepārsniedz vielas gramu, jo tas jau netieši atrodams Ce.Šī formula ir ļoti noderīga, lai ar kalorimetrijas palīdzību aprēķinātu dažādu vielu īpatnējos siltumus.

Kā? Izmantojot kaloriju definīciju, kas ir enerģijas daudzums, kas vajadzīgs, lai uzsildītu gramu ūdens no 14,5 līdz 15,5 ºC; tas ir vienāds ar 4 184 J.

Ūdens īpatnējais siltums ir neparasti augsts, un šo īpašību izmanto, lai izmērītu citu vielu īpašos siltumus, zinot vērtību 4,184 J.

Ko nozīmē, ka konkrētam karstumam jābūt lielam? Ka tā piedāvā ievērojamu pretestību temperatūras paaugstināšanai, tāpēc tai jāuztver vairāk enerģijas; tas ir, ūdens ir jāsilda daudz ilgāk, salīdzinot ar citām vielām, kuras siltuma avota tuvumā sakarst gandrīz uzreiz.

Šī iemesla dēļ ūdens tiek izmantots kalorimetriskos mērījumos, jo, absorbējot no ķīmiskajām reakcijām atbrīvoto enerģiju, tas nejūt pēkšņas temperatūras izmaiņas; vai šajā gadījumā no saskares ar citu karstāku materiālu.

Termiskais līdzsvars

Tā kā ūdenim jāuztver daudz siltuma, lai paaugstinātu tā temperatūru, siltums var rasties, piemēram, no karsta metāla. Ņemot vērā ūdens un metāla masas, starp tām notiks siltuma apmaiņa, līdz tiks sasniegts tā sauktais termiskais līdzsvars.

Kad tas notiek, ūdens un metāla temperatūra izlīdzinās. Karstā metāla izdalītais siltums ir vienāds ar ūdens absorbēto siltumu.

Matemātiskā attīstība

Zinot to un ar tikko aprakstīto Q formulu, mums ir:

Q _ūdens = -Q _metāls

Negatīvā zīme norāda, ka siltums no siltāka korpusa (metāla) izdalās uz vēsāka korpusa (ūdens). Katrai vielai ir savs īpašais siltums Ce un masa, tāpēc šī izteiksme jāizstrādā šādi:

Q _ūdens = ce _ūdens · ΔT _ūdens · m _ūdens = - (ce _metāls · ΔT _metāls · m _metāls )

Nezināms ir Ce _Metal , jo termiskajā līdzsvarā gan ūdens, gan metāla gala temperatūra ir vienāda; turklāt ir zināma ūdens un metāla sākotnējā temperatūra pirms saskares, kā arī to masas. Tāpēc Ce _Metal ir jāattīra :

Ce _metāls = (Ce _ūdens · ΔT _ūdens · m _ūdens ) / (-ΔT _metāls · m _metāls )

Neaizmirstot, ka Ce _ūdens ir 4,184 J / ºC · g. Ja tiek izstrādāts ΔT _ūdens un ΔT _metāls , mums būs attiecīgi ( _Tf - T _ūdens ) un ( _Tf - T _metāls ). Ūdens sasilst, kamēr metāls atdziest, un tāpēc negatīvā zīme reizina ΔT _Metālu, atstājot (T _Metāls - T _f ). Pretējā gadījumā, ΔT _Metāla būtu negatīva vērtība, jo tā ir T _f mazāku (aukstāks), nekā T _Metal .

Tad vienādojumu beidzot izsaka šādā veidā:

Ce _Metāls = Ce _Ūdens · ( _Tf - T _Ūdens ) · m _Ūdens / (T _Metāls - T _f ) · m _Metāls

Un līdz ar to tiek aprēķināti specifiski sildījumi.

Aprēķina piemērs

Ir kāda dīvaina metāla lode, kas sver 130 g, un tās temperatūra ir 90ºC. To iegremdē 100 g ūdens traukā 25 ° C temperatūrā kalorimetra iekšpusē. Sasniedzot termisko līdzsvaru, trauka temperatūra kļūst par 40 ° C. Aprēķiniet metāla Ce.

Gala temperatūra _Tf ir 40 ° C. Zinot citus datus, tad Ce var tieši noteikt:

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

Ce _Metāls = 0,965 J / ºC · g

Ņemiet vērā, ka ūdens īpatnējais siltums ir apmēram četras reizes lielāks nekā metālam (4.184 / 0.965).

Kad Ce ir ļoti mazs, jo lielāka ir tā tendence sakarst; kas ir saistīts ar tā siltumvadītspēju un difūziju. Metāls ar augstāku Ce mēdz izdalīt vai zaudēt vairāk siltuma, saskaroties ar citu materiālu, salīdzinot ar citu metālu ar zemāku Ce.

Piemēri

Zemāk parādīti specifiski sildījumi dažādām vielām.

Ūdens

Ūdens īpatnējais siltums, kā norādīts, ir 4,184 J / ° C · g.

Pateicoties šai vērtībai, tas var nokļūt daudz saules okeānā, un ūdens diez vai iztvaikos līdz ievērojamam līmenim. Tā rezultātā rodas siltuma atšķirības, kas neietekmē jūras dzīvi. Piemēram, dodoties uz pludmali peldēties, pat ja ārā ir ļoti saulains, ūdens jūt zemāku, vēsāku temperatūru.

Arī karstajam ūdenim ir jāatbrīvojas daudz enerģijas, lai pats sevi atdzesētu. Šajā procesā tas silda cirkulējošās gaisa masas, ziemu laikā nedaudz paaugstinot (mērenu) temperatūru piekrastes reģionos.

Vēl viens interesants piemērs ir tas, ka, ja mēs nebūtu izgatavoti no ūdens, diena saulē varētu būt nāvējoša, jo mūsu ķermeņa temperatūra strauji paaugstināsies.

Šī unikālā Ce vērtība ir saistīta ar starpmolekulārajām ūdeņraža saitēm. Tie absorbē siltumu, lai sadalītos, tāpēc uzkrāj enerģiju. Kamēr tās nav salauztas, ūdens molekulas nespēs vibrēt, palielinot vidējo kinētisko enerģiju, ko atspoguļo temperatūras paaugstināšanās.

Ledus

Ledus īpatnējais siltums ir 2 090 J / ºC · g. Tam, tāpat kā ūdenim, ir neparasti augsta vērtība. Tas nozīmē, ka aisbergam, piemēram, būtu jāuztver milzīgs daudzums siltuma, lai paaugstinātu tā temperatūru. Tomēr daži aisbergi mūsdienās pat ir absorbējuši kausēšanai nepieciešamo siltumu (latentais saplūšanas karstums).

Alumīnijs

Alumīnija īpatnējais siltums ir 0,900 J / ºC · g. Tas ir nedaudz zemāks par metālu sfērā (0,965 J / ºC · g). Šeit siltums tiek absorbēts, lai vibrētu alumīnija metālu atomus to kristāliskajās struktūrās, nevis atsevišķas molekulas, kuras tur kopā starpmolekulārie spēki.

Dzelzs

Dzelzs īpatnējais siltums ir 0,444 J / ºC · g. Tā kā tas ir mazāks par alumīniju, tas nozīmē, ka sildot, tas piedāvā mazāku pretestību; tas ir, pirms uguns dzelzs gabals kļūs karsts daudz agrāk nekā alumīnija gabals.

Alumīnijs ir izturīgāks pret karsēšanu un uztur ēdienu ilgāk karstu, ja slaveno alumīnija foliju izmanto uzkodu iesaiņošanai.

Gaiss

Gaisa īpatnējais siltums ir aptuveni 1,003 J / ºC · g. Šī vērtība ir ļoti pakļauta spiedienam un temperatūrai, jo tā sastāv no gāzveida maisījuma. Šeit siltums tiek absorbēts, lai vibrētu slāpekļa, skābekļa, oglekļa dioksīda, argona utt. Molekulas.

Sudrabs

Visbeidzot, īpatnējais sudraba siltums ir 0,234 J / ºC · g. No visām minētajām vielām tai ir zemākā Ce vērtība, kas nozīmē, ka, saskaroties ar dzelzi un alumīniju, sudraba gabals vienlaikus sakarst daudz vairāk nekā pārējie divi metāli. Faktiski tas harmonizējas ar augsto siltumvadītspēju.

Atsauces

1. Serverss un Jewett. (2008). Fizika: zinātnei un inženierijai. (Septītais izdevums), 1. sējums, Cengage mācība.
2. Vaitens, Deiviss, Peks, Stenlijs. (2008). Ķīmija. (Astotais izdevums). Cengage mācīšanās.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. gada 5. novembris). Īpatnējā siltuma jauda ķīmijā. Atgūts no: domaco.com
4. Ēriks Veisšteins. (2007). Īpašs karstums. Atgūts no: scienceworld.wolfram.com
5. R Kuģis. (2016). Īpašs karstums. Džordžijas štata universitāte. Atgūts no: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019. gads). Īpašs karstums. Atgūts no: es.wikipedia.org