СПЕЦИФИЧНА ТОПЛИНА: ОТ КАКВО СЕ СЪСТОИ, КАК СЕ ИЗЧИСЛЯВА И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На топлината специфичен е количеството енергия, за да се абсорбира един грам вещество за повишаване на температурата от един градус по Целзий. Това е интензивно физическо свойство, тъй като не зависи от масата, тъй като се изразява само за един грам вещество; той обаче е свързан с броя на частиците и тяхната моларна маса, както и с междумолекулните сили, които ги свързват.

Количеството енергия, погълната от веществото, се изразява в единици джаул (J) и по-рядко в калории (Cal). Като цяло се приема, че енергията се абсорбира чрез топлина; въпреки това, енергията може да дойде от друг източник, като например работата върху веществото (строго разбъркване, например).

Вряща вода. Източник: Pixabay

Изображението по-горе показва чайник, от който се отделят водните пари, получени при нагряването му. За да загрява водата, тя трябва да абсорбира топлина от пламъка, разположен под чайника. Така с течение на времето и в зависимост от интензивността на огъня водата ще кипне, когато достигне своята точка на кипене.

Специфичната топлина установява колко енергия изразходва водата за всеки градус ºC, за да се повиши нейната температура. Тази стойност е постоянна, ако в един и същ чайник се нагряват различни обеми вода, тъй като както беше казано в началото, тя е интензивно свойство.

Това, което се различава, е общото количество енергия, погълната от всяка маса нагрята вода, позната още като топлинен капацитет. Колкото по-голяма е масата на водата за подгряване (2, 4, 10, 20 литра), толкова по-голям е нейният топлинен капацитет; но специфичната му топлина остава същата.

Това свойство зависи от налягането, температурата и обема; за просто разбиране обаче съответните им вариации се пропускат.

Какво е специфична топлина?

Каква специфична топлина означава за дадено вещество, беше определено. Истинското му значение обаче е по-добре изразено с неговата формула, което става ясно чрез неговите единици, кои са луфтовете, които включва, когато се анализират променливите, от които зависи. Формулата му е:

Ce = Q / ΔT m

Където Q е погълнатата топлина, ΔT промяната в температурата и m е масата на веществото; че според определението съответства на грам. Правейки анализ на неговите единици, ние имаме:

Ce = J / ºC · g

Което също може да бъде изразено по следните начини:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Първият от тях е най-простият и именно с тях ще се обърнат примерите в следващите раздели.

Формулата изрично посочва количеството на абсорбирана енергия (J) от един грам вещество в една степен ºC. Ако искахме да изчистим това количество енергия, ще трябва да оставим уравнението J настрана:

J = Ce · ºC · g

Това се изразява по по-подходящ начин и според променливите ще бъде:

Q = Ce ΔT m

Как се изчислява специфичната топлина?

Водата като еталон

В горната формула 'm' не представлява грам вещество, тъй като вече се съдържа имплицитно в Ce. Тази формула е много полезна за изчисляване на специфичните топлини на различни вещества чрез калориметрия.

Как? Използвайки определението за калории, което е количеството енергия, необходимо за загряване на грам вода от 14,5 до 15,5ºC; това е равно на 4,184 Дж.

Специфичната топлина на водата е необичайно висока и това свойство се използва за измерване на специфичните топлини на други вещества, познаващи стойността на 4,184 Дж.

Какво означава дадена температура да бъде висока? Това, че предлага значителна устойчивост да повишава температурата си, затова трябва да абсорбира повече енергия; т. е. водата трябва да се загрява много по-дълго в сравнение с други вещества, които в близост до източник на топлина се нагряват почти моментално.

Поради тази причина при калориметрични измервания се използва вода, тъй като тя не изпитва резки промени в температурата, когато абсорбира енергията, освободена от химични реакции; или, в този случай, от контакт с друг по-горещ материал.

Топлинно равновесие

Тъй като водата трябва да абсорбира много топлина, за да повиши температурата си, топлината може да идва от горещ метал, например. Като се вземат предвид масата на вода и метал, между тях ще се осъществява топлообмен, докато не се достигне това, което се нарича термично равновесие.

Когато това се случи, температурите на водата и метала се изравняват. Топлината, отделяна от горещ метал, е равна на погълнатата от вода.

Математическо развитие

Знаейки това и с последната формула за Q току-що описана, имаме:

Q _Вода = -Q _Метал

Отрицателният знак показва, че топлината се отделя от по-топлото тяло (метал) до по-хладното тяло (вода). Всяко вещество има своя специфична топлина Ce и своята маса, така че този израз трябва да бъде разработен, както следва:

Q _Вода = Ce _вода · ΔT _Вода · m _Вода = - (Ce _Metal · ΔT _Метал · m _Метал)

Неизвестното е Ce _Metal, тъй като в термично равновесие крайната температура както за водата, така и за метала е една и съща; в допълнение, началните температури на водата и метала са известни преди контакта, както и техните маси. Следователно Ce _Metal трябва да бъде изчистен:

Ce _Metal = (Ce _вода · ΔT _вода · m _вода) / (-ΔT _метал · m _метал)

Без да забравяме, че Ce _вода е 4,184 J / ºC · g. Ако са разработени ΔT _вода и ΔT _метал, ние ще имаме (T _f - T _вода) и (T _f - T _метал) съответно. Водата се загрява, докато металът се охлажда и затова отрицателният знак се размножава ΔT _метал, оставяйки (T _Metal - T _f). В противен случай ΔT _Metal би имал отрицателна стойност, тъй като е T _f по-малък (по-студен) от T _Metal.

След това уравнението най-накрая се изразява по този начин:

Ce _Metal = Ce _Water · (T _f - T _Water) · m _Water / (T _Metal - T _f) · m _Metal

И с него се изчисляват конкретните топлини.

Пример за изчисление

Има сфера от странен метал, която тежи 130g и има температура 90ºC. Това се потапя в 100 g контейнер с вода при 25ºC, вътре в калориметър. При достигане на топлинно равновесие температурата на съда става 40 ° C. Изчислете Ce на метала.

Крайната температура, T _f, е 40 ° C. Познавайки останалите данни, Ce може след това да бъде определено директно:

Ce _Metal = (4,184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130 g

Ce _Metal = 0,965 J / ºC · g

Обърнете внимание, че специфичната топлина на водата е около четири пъти по-голяма от тази на метала (4.184 / 0.965).

Когато Ce е много малък, толкова по-голяма е тенденцията му да се загрява; което е свързано с неговата топлопроводимост и дифузия. Метал с по-висок Ce ще има склонност да отделя или губи повече топлина, когато влезе в контакт с друг материал, в сравнение с друг метал с по-нисък Ce.

Примери

Специфичните топлини за различните вещества са показани по-долу.

вода

Както е посочено, специфичната топлина на водата е 4,184 J / ° C · g.

Благодарение на тази стойност може да получи много слънце в океана и водата едва ли ще се изпари до значителна степен. Това води до топлинна разлика, която не влияе на морския живот. Например, когато отидете на плажа да плувате, дори ако навън е много слънчево, водата усеща по-ниска, по-хладна температура.

Топлата вода също трябва да отдели много енергия, за да се охлади. В процеса той загрява циркулиращите въздушни маси, повишавайки (умерените) температури донякъде в крайбрежните райони по време на зимата.

Друг интересен пример е, че ако не бяхме съставени от вода, един ден на слънце можеше да бъде смъртоносен, защото телесните ни температури биха се повишили бързо.

Тази уникална стойност на Се се дължи на междумолекулни водородни връзки. Те абсорбират топлината, за да се разпаднат, така че съхраняват енергия. Докато не се разрушат, водните молекули няма да могат да вибрират, увеличавайки средната кинетична енергия, което се отразява в повишаване на температурата.

лед

Специфичната топлина на леда е 2090 J / ºC · g. Подобно на водата, тя има необичайно висока стойност. Това означава, че айсберг, например, ще трябва да абсорбира огромно количество топлина, за да повиши температурата си. Въпреки това, някои айсберги днес дори са погълнали топлината, необходима за стопяване (латентна топлина от синтез).

алуминий

Специфичната топлина на алуминия е 0,900 J / ºC · g. Той е малко по-нисък от този на метала в сферата (0,965 J / ºC · g). Тук топлината се абсорбира, за да вибрира металните атоми на алуминия в техните кристални структури, а не отделни молекули, държани заедно от междумолекулни сили.

Желязо

Специфичната топлина на желязото е 0,444 J / ºC · g. Това, че е по-малко от алуминий, означава, че предлага по-малко съпротивление при нагряване; тоест преди пожар парче желязо ще се зачерви много по-рано от парче алуминий.

Алуминият е по-устойчив на нагряване, запазва храната гореща по-дълго, когато известното алуминиево фолио се използва за увиване на закуски.

Въздух

Специфичната топлина на въздуха е приблизително 1.003 J / ºC · g. Тази стойност е силно изложена на налягания и температури, тъй като се състои от газообразна смес. Тук топлината се абсорбира, за да вибрира молекулите на азот, кислород, въглероден диоксид, аргон и др.

сребърен

И накрая, специфичната топлина за сребро е 0,234 J / ºC · g. От всички споменати вещества той има най-ниската стойност на Це.Това означава, че когато се сблъскате с желязо и алуминий, парче сребро би се загрявало много повече едновременно с другите два метала. Всъщност той хармонира с високата си топлопроводимост.

Препратки

1. Serway & Jewett. (2008 г.). Физика: за наука и инженерство. (Седмо издание), том 1, Cengage Learning.
2. Уитън, Дейвис, Пек, Стенли. (2008 г.). Химия. (Осмо издание). Учене в Cengage.
3. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (5 ноември 2018 г.). Специфична топлинна мощност в химията. Възстановено от: thinkco.com
4. Ерик У. Вайщайн. (2007 г.). Специфична топлина. Възстановено от: scienceworld.wolfram.com
5. R кораб. (2016 г.). Специфична топлина. Държавен университет в Джорджия. Възстановени от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Специфична топлина. Възстановено от: es.wikipedia.org