HomebsKako izračunati specifičnu toplotu

Kako izračunati specifičnu toplotu

Specifična toplota ( Ce ) je količina toplote koja se mora primeniti na jedinicu mase materijala da bi se temperatura podigla za jednu jedinicu . To je intenzivno termičko svojstvo materije, odnosno ne zavisi od obima materijala ili njegove količine, već samo od njegovog sastava. U tom smislu, to je karakteristično svojstvo koje je od velike važnosti za određivanje mogućih primjena svakog materijala, a koje pomaže u određivanju dijela toplinskog ponašanja tvari kada dođu u dodir s tijelima ili medijima koji su na različitim temperaturama.

Sa određene tačke gledišta možemo reći da specifična toplota odgovara intenzivnoj verziji toplotnog kapaciteta (C), definišući je kao količinu toplote koja se mora dostaviti sistemu da bi se njegova temperatura povećala za jednu jedinicu. Takođe se može shvatiti kao konstanta proporcionalnosti između toplotnog kapaciteta sistema (tela, supstance, itd.) i njegove mase.

Vrijednost specifične topline tvari ovisi o tome da li se zagrijavanje (ili hlađenje) vrši pri konstantnom pritisku ili pri konstantnoj zapremini. Ovo dovodi do dvije specifične topline za svaku supstancu, odnosno specifične topline pri konstantnom tlaku (C P ) i specifične topline pri konstantnom volumenu (C V ). Međutim, razlika se može vidjeti samo u plinovima, tako da za tekućine i čvrste tvari obično govorimo samo o suhoj specifičnoj toplini.

formula specifične toplote

Iz iskustva znamo da je toplotni kapacitet tijela proporcionalan njegovoj masi, tj

Primjer proračuna specifične topline

Kao što smo spomenuli u prethodnom dijelu, specifična toplina predstavlja konstantu proporcionalnosti između ove dvije varijable, tako da se gornji odnos proporcionalnosti može zapisati u obliku sljedeće jednačine:

Primjer proračuna specifične topline

Ovu jednačinu možemo riješiti da dobijemo izraz za specifičnu toplinu:

Primjer proračuna specifične topline

S druge strane, znamo da je toplinski kapacitet konstanta proporcionalnosti između topline (q) koja je potrebna za povećanje temperature sistema za iznos ΔT i navedenog povećanja temperature. Drugim riječima, znamo da je q = C * ΔT. Kombinujući ovu jednačinu sa gornjom jednačinom toplotnog kapaciteta, dobijamo:

Primjer proračuna specifične topline

Rješavajući ovu jednačinu da pronađemo specifičnu toplinu, dobijamo drugu jednačinu za nju:

Primjer proračuna specifične topline

Specifične toplinske jedinice

Posljednja dobivena jednadžba za specifičnu toplinu pokazuje da su jedinice ove varijable [q][m] -1 [ΔT] -1 , odnosno jedinice topline prema jedinici mase i temperature. U zavisnosti od sistema jedinica u kojima radite, ove jedinice mogu biti:

Jedinični sistem Jedinice specifične topline Međunarodni sistem J.kg -1 .K -1 što je ekvivalentno am 2 ⋅K − 1 ⋅s − 2 imperijalni sistem BTU⋅lb − 1 ⋅°F − 1 kalorija cal.g -1 .°C -1 što je ekvivalentno Cal.kg -1 .°C -1 druge jedinice kJ.kg -1 .K -1

NAPOMENA: Prilikom korištenja ovih jedinica važno je razlikovati cal i Cal. Prva je normalna kalorija (ponekad se naziva mala kalorija ili gram-kalorija), koja odgovara količini topline koja je potrebna za podizanje temperature 1g vode, dok Kal (velikim slovom) je jedinica koja odgovara 1.000 cal, ili, što je isto, 1 kcal. Ova posljednja jedinica topline svakodnevno se koristi u zdravstvenim znanostima, posebno u području prehrane. U ovom kontekstu, to je jedinica par excellence koja se koristi za predstavljanje količine energije prisutne u hrani (kada govorimo o kalorijama u kontekstu hrane, gotovo uvijek mislimo na Cal, a ne na limetu).

Primjeri problema s proračunom specifične topline

Ispod su dva riješena problema koji opisuju i proces izračunavanja specifične topline za čistu tvar i za mješavinu čistih tvari u kojoj znamo specifične topline.

Problem 1: Izračunavanje specifične toplote čiste supstance

Izjava: Želite da odredite sastav uzorka nepoznatog metala srebra. Sumnja se da može biti srebro, aluminijum ili platina. Da bi se utvrdilo šta je to, mjeri se količina topline potrebna za zagrijavanje uzorka metala od 10,0 g sa temperature od 25,0°C do normalne tačke ključanja vode, odnosno 100,0°C. 41,92 kal. Znajući da su specifične toplote srebra, aluminijuma i platine 0,234 kJ.kg -1 .K -1 , 0,897 kJ.kg -1 .K -1 i 0,129 kJ.kg -1 .K -1 , respektivno, Odredite koji metal uzorak je napravljen od.

Rješenje

Ono što problem traži je identificirati materijal od kojeg je predmet napravljen. Budući da je specifična toplina intenzivno svojstvo, karakteristična je za svaki materijal, pa je za njegovu identifikaciju dovoljno odrediti njegovu specifičnu toplinu, a zatim je uporediti s poznatim vrijednostima sumnjivih metala.

Određivanje specifične topline u ovom slučaju se provodi pomoću tri jednostavna koraka:

Korak #1: Izdvojite sve podatke iz iskaza i izvršite relevantne transformacije jedinica

Kao iu svakom problemu, prva stvar koju trebamo je da organiziramo podatke tako da budu pri ruci kada zatrebaju. Osim toga, izvođenje transformacije jedinica od početka spriječit će nas da to kasnije zaboravimo i olakšat će proračune u sljedećim koracima.

U ovom slučaju, izjava daje masu uzorka, početnu i konačnu temperaturu nakon procesa zagrijavanja i količinu topline koja je potrebna za zagrijavanje uzorka. Takođe daje specifične toplote tri metala kandidata. U pogledu jedinica, možemo primetiti da su specifične toplote u kJ.kg -1 .K .1 , ali su masa, temperature i toplota u g, °C i cal, respektivno. Zatim moramo transformisati jedinice tako da sve bude u istom sistemu. Lakše je odvojeno transformisati masu, temperaturu i toplotu nego tri puta transformisati složene jedinice specifične toplote, tako da će to biti put kojim ćemo slediti:

Primjer proračuna specifične topline Primjer proračuna specifične topline Primjer proračuna specifične topline Primjer proračuna specifične topline

Korak #2: Koristite jednadžbu za izračunavanje specifične topline

Sada kada imamo sve podatke koji su nam potrebni, sve što treba da uradimo je da upotrebimo odgovarajuću jednačinu za izračunavanje specifične toplote. Uzimajući u obzir podatke kojima raspolažemo, koristićemo drugu jednačinu za Ce prikazanu gore.

Primjer proračuna specifične topline Primjer proračuna specifične topline

Korak #3: Uporedite specifičnu toplotu uzorka sa poznatim specifičnim toplotama da biste identifikovali materijal

Kada poredimo specifičnu toplotu dobijenu za naš uzorak sa onom od tri metala kandidata, primećujemo da je srebro onaj koji mu najviše liči. Iz tog razloga, ako su jedini kandidati metali srebro, aluminijum i platina, zaključujemo da je uzorak sastavljen od srebra.

Problem 2: Proračun specifične toplote mješavine čistih tvari

Izjava: Kolika će biti prosječna specifična toplina legure koja sadrži 85% bakra, 5% cinka, 5% kalaja i 5% olova? Specifične toplote svakog metala su, C e, Cu = 385 J.kg -1 .K -1 ; C e, Zn =381 J.kg -1 .K -1 ; C e, Sn = 230 J.kg -1 .K -1 ; C e, Pb = 130 J.kg -1 .K -1 .

Rješenje

Ovo je malo drugačiji problem koji zahtijeva malo više kreativnosti. Kada imamo mješavine različitih materijala, termička svojstva i druga svojstva ovisit će o određenom sastavu i općenito će se razlikovati od svojstava čistih komponenti.

Pošto je specifična toplota intenzivno svojstvo, to nije aditivna veličina, što znači da ne možemo dodati specifične toplote da bismo dobili ukupnu specifičnu toplotu za smešu. Međutim, ono što je aditiv je ukupni toplotni kapacitet, budući da je ovo ekstenzivno svojstvo.

Iz tog razloga možemo reći da će u slučaju prikazane legure ukupan toplotni kapacitet legure biti zbir toplotnih kapaciteta delova bakra, cinka, kalaja i olova, odnosno:

Primjer proračuna specifične topline

Međutim, u svakom slučaju toplinski kapacitet odgovara umnošku između mase i specifične topline, tako da se ova jednačina može prepisati kao:

Primjer proračuna specifične topline

Gdje C e al predstavlja prosječnu specifičnu toplinu legure (imajte na umu da nije ispravno reći ukupnu specifičnu toplinu), odnosno nepoznatu koju želimo pronaći. Kako je ovo svojstvo intenzivno, njegovo izračunavanje neće zavisiti od količine uzorka koji imamo. S obzirom na to, možemo pretpostaviti da imamo 100 g legure, u kom slučaju će mase svake komponente biti jednake njihovim procentima. Uz pretpostavku ovoga, dobijamo sve podatke potrebne za proračun prosječne specifične topline.

Primjer proračuna specifične topline

Sada zamjenjujemo poznate vrijednosti i vršimo proračun. Radi jednostavnosti, jedinice će biti zanemarene prilikom zamjene vrijednosti. To možemo samo zato što su sve specifične toplote u istom sistemu jedinica, kao i sve mase. Nije potrebno pretvarati mase u kilograme, jer će se grami u brojniku na kraju poništiti sa onima u nazivniku.

Primjer proračuna specifične topline Primjer proračuna specifične topline

Reference

Broncesval SL. (2019, 20. decembar). B5 | Bronza bakra legura kalaj cink . bronzani. https://www.broncesval.com/bronce/b5-bronce-aleacion-de-cobre-estanio-zinc/

Chang, R. (2002). Fizička hemija ( 1. izdanje). MCGRAW HILL EDUCATION.

Chang, R. (2021). Hemija ( 11. izdanje). MCGRAW HILL EDUCATION.

Franco G., A. (2011). Određivanje 3 n specifične topline čvrste tvari 3 . Fizika sa kompjuterom. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm

Specifična toplota metala . (2020, 29. oktobar). sciencealpha. https://sciencealpha.com/es/specific-heat-of-metals/