УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ: ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ, КАК РАССЧИТЫВАЕТСЯ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Удельная теплоемкость это количество энергии , чтобы быть поглощенными один грамм вещества , чтобы повысить его температуру на один градус по Цельсию. Это интенсивное физическое свойство, поскольку оно не зависит от массы, поскольку выражается только для одного грамма вещества; однако это связано с числом частиц и их молярной массой, а также с связывающими их межмолекулярными силами.

Количество энергии, поглощаемой веществом, выражается в джоулях (Дж) и, реже, в калориях (Cal). Обычно предполагается, что энергия поглощается за счет тепла; однако энергия может поступать из другого источника, такого как работа, выполняемая над веществом (например, тщательное перемешивание).

Кипящая вода. Источник: Pixabay

На изображении выше показан чайник, из которого выходят водяные пары, образующиеся при его нагревании. Чтобы нагреть воду, она должна поглощать тепло пламени, расположенного под чайником. Таким образом, по прошествии времени и в зависимости от интенсивности огня вода закипит, когда достигнет точки кипения.

Удельная теплоемкость определяет, сколько энергии потребляет вода на каждый градус ºC при повышении ее температуры. Это значение является постоянным, если в одном котле нагреваются разные объемы воды, поскольку, как было сказано в начале, это интенсивное свойство.

Что действительно меняется, так это общее количество энергии, поглощаемой каждой массой нагретой воды, также известное как теплоемкость. Чем больше масса нагреваемой воды (2, 4, 10, 20 литров), тем больше ее теплоемкость; но его удельная теплоемкость остается прежней.

Это свойство зависит от давления, температуры и объема; однако для простоты понимания их соответствующие варианты опущены.

Что такое удельная теплоемкость?

Было определено, что означает удельная теплоемкость для данного вещества. Однако его истинное значение лучше выражается его формулой, которая через единицы измерения проясняет, какие зазоры он включает при анализе переменных, от которых он зависит. Его формула:

Ce = Q / ΔT м

Где Q - поглощенное тепло, ΔT - изменение температуры, а m - масса вещества; что по определению соответствует грамм. Анализируя его агрегаты, мы имеем:

Ce = Дж / ºC · г

Что также может быть выражено следующими способами:

Ce = кДж / К г

Ce = Дж / ºC · кг

Первый из них является наиболее простым, и он будет использоваться в примерах в следующих разделах.

Формула явно указывает количество энергии, поглощенной (Дж) одним граммом вещества на один градус ºC. Если бы мы хотели очистить это количество энергии, нам пришлось бы оставить уравнение J в стороне:

J = Ce · ºC · г

Это выражается более подходящим образом и в зависимости от переменных:

Q = Ce ΔT м

Как рассчитывается удельная теплоемкость?

Вода как ориентир

В приведенной выше формуле «m» не представляет собой грамм вещества, поскольку он уже неявно содержится в Ce. Эта формула очень полезна для расчета удельной теплоемкости различных веществ с помощью калориметрии.

Как? Используя определение калорий, то есть количество энергии, необходимое для нагрева грамма воды с 14,5 до 15,5 ° C; это равно 4 184 Дж.

Удельная теплоемкость воды аномально высока, и это свойство используется для измерения удельной теплоемкости других веществ, зная значение 4,184 Дж.

Что означает высокая удельная теплоемкость? Что он оказывает значительное сопротивление повышению температуры, поэтому он должен поглощать больше энергии; то есть воду нужно нагревать намного дольше, чем другие вещества, которые в непосредственной близости от источника тепла нагреваются почти мгновенно.

По этой причине вода используется в калориметрических измерениях, поскольку она не испытывает резких изменений температуры при поглощении энергии, выделяющейся в результате химических реакций; или, в этом случае, от контакта с другим более горячим материалом.

Тепловое равновесие

Поскольку вода должна поглощать много тепла, чтобы повысить свою температуру, тепло может исходить, например, от горячего металла. Принимая во внимание массы воды и металла, между ними будет происходить теплообмен, пока не будет достигнуто так называемое тепловое равновесие.

Когда это происходит, температуры воды и металла выравниваются. Тепло, выделяемое горячим металлом, равно теплу, поглощаемому водой.

Математическое развитие

Зная это и с последней описанной формулой для Q, мы имеем:

Q _Вода = -Q _Металл

Отрицательный знак указывает на то, что тепло передается от более теплого тела (металла) к более холодному телу (воде). Каждое вещество имеет свою удельную теплоемкость Се и свою массу, поэтому это выражение необходимо развить следующим образом:

Q _Вода = Ce _Вода · ΔT _Вода · м _Вода = - ( _Металл Ce · ΔT _Металл · m _Металл )

Неизвестным является це- _металл , поскольку при тепловом равновесии конечная температура воды и металла одинакова; кроме того, известны начальные температуры воды и металла перед контактом, а также их массы. Следовательно, Ce _Metal необходимо очищать :

Се- _металл = (Се- _вода · ΔT _воды · м _воды ) / (-ΔT _{металла} · м _{металла} )

Не забывая, что _вода Ce составляет 4,184 Дж / ºC · г. Если разработать ΔT _воды и ΔT _{металла} , мы получим (T _f - T _воды ) и (T _f - T _{металла} ) соответственно. Вода нагревается, а металл остывает, поэтому отрицательный знак умножает ΔT _Metal, оставляя (T _Metal - T _f ). В противном случае ΔT _Metal будет иметь отрицательное значение, потому что это T _f меньше (холоднее), чем T _Metal .

В итоге уравнение выражается следующим образом:

Ce _Металл = Ce _Вода · (T _f - T _Вода ) · m _воды / (T _Metal - T _f ) · m _{металла}

И с его помощью рассчитываются удельные плавки.

Пример расчета

Это сфера из странного металла, которая весит 130 г и имеет температуру 90 ° C. Его погружают в 100-граммовый контейнер с водой при 25ºC внутри калориметра. По достижении теплового равновесия температура емкости становится 40 ° C. Рассчитайте Ce металла.

Конечная температура T _f составляет 40 ° C. Зная другие данные, можно определить Ce напрямую:

Ce _Металл = (4 184 Дж / ºC · г · (40 - 25) ºC · 100 г) / (90 - 40) ºC · 130 г

Ce _Металл = 0,965 Дж / ºC · г

Обратите внимание, что удельная теплоемкость воды примерно в четыре раза выше, чем у металла (4,184 / 0,965).

Когда Се очень мало, его склонность к нагреванию больше; что связано с его теплопроводностью и диффузией. Металл с более высоким Ce будет иметь тенденцию выделять или терять больше тепла при контакте с другим материалом по сравнению с другим металлом с более низким Ce.

Примеры

Ниже приведены значения удельной температуры для различных веществ.

вода

Как указано выше, удельная теплоемкость воды составляет 4,184 Дж / ° C · г.

Благодаря этому значению, он может получать много солнца в океане, и вода практически не испаряется в значительной степени. Это приводит к разнице температур, которая не влияет на морскую жизнь. Например, когда вы идете на пляж купаться, даже если на улице очень солнечно, вода кажется более низкой и прохладной.

Горячая вода также требует выделения большого количества энергии для охлаждения. При этом он нагревает циркулирующие воздушные массы, несколько повышая (умеренные) температуры в прибрежных районах зимой.

Другой интересный пример: если бы мы не были сделаны из воды, день на солнце мог бы быть смертельным, потому что температура нашего тела быстро повысилась бы.

Эта уникальная ценность Ce обусловлена ​​межмолекулярными водородными связями. Они поглощают тепло для разрушения и накапливают энергию. Пока они не сломаются, молекулы воды не смогут колебаться, увеличивая среднюю кинетическую энергию, что отражается в повышении температуры.

лед

Удельная теплоемкость льда составляет 2 090 Дж / ºC · г. Как и вода, он имеет необычно высокую ценность. Это означает, что, например, айсберг должен поглотить огромное количество тепла, чтобы повысить свою температуру. Однако некоторые айсберги сегодня даже поглотили тепло, необходимое для таяния (скрытая теплота плавления).

алюминий

Удельная теплоемкость алюминия составляет 0,900 Дж / ºC · г. Это немного ниже, чем у металла в сфере (0,965 Дж / ºC · г). Здесь тепло поглощается для вибрации металлических атомов алюминия в их кристаллических структурах, а не отдельных молекул, удерживаемых вместе межмолекулярными силами.

Железо

Удельная теплоемкость железа составляет 0,444 Дж / ºC · г. Он меньше, чем алюминий, что означает меньшее сопротивление при нагревании; То есть перед огнем кусок железа раскалится докрасна намного раньше, чем кусок алюминия.

Алюминий более устойчив к нагреванию и дольше сохраняет пищу горячей, когда для упаковки закусок используется известная алюминиевая фольга.

Воздух

Удельная теплоемкость воздуха составляет примерно 1,003 Дж / ºC · г. Это значение сильно зависит от давления и температуры, поскольку оно состоит из газовой смеси. Здесь тепло поглощается, чтобы вызвать колебания молекул азота, кислорода, углекислого газа, аргона и т. Д.

Серебряный

Наконец, удельная теплоемкость серебра составляет 0,234 Дж / ºC · г. Из всех упомянутых веществ у него самое низкое значение Се. Это означает, что при столкновении с железом и алюминием кусок серебра будет нагреваться намного больше одновременно с двумя другими металлами. Фактически, он гармонирует с его высокой теплопроводностью.

Ссылки

1. Serway & Jewett. (2008). Физика: для науки и техники. (Седьмое издание), том 1, Cengage Learning.
2. Уиттен, Дэвис, Пек, Стэнли. (2008). Химия. (Издание восьмое). Cengage Learning.
3. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (5 ноября 2018 г.). Удельная теплоемкость в химии. Получено с: thinkco.com
4. Эрик В. Вайсштейн. (2007). Удельная теплоемкость. Получено с: scienceworld.wolfram.com
5. R Корабль. (2016). Удельная теплоемкость. Государственный университет Джорджии. Получено с: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Удельная теплоемкость. Получено с: es.wikipedia.org