HomemkКако да се пресмета специфичната топлина

Како да се пресмета специфичната топлина

Специфична топлина (C e ) е количината на топлина што мора да се примени на единица маса на материјалот за да се подигне неговата температура за една единица . Тоа е интензивно термичко својство на материјата, односно не зависи од обемот на материјалот или од неговата количина, туку само од неговиот состав. Во оваа смисла, тоа е карактеристично својство кое е од големо значење за одредување на можните примени на секој материјал и кое помага да се одреди дел од термичкото однесување на супстанциите кога ќе дојдат во контакт со тела или подлоги кои се на различни температури.

Од одредена гледна точка, би можеле да кажеме дека специфичната топлина одговара на интензивната верзија на топлинскиот капацитет (C), дефинирајќи ја како количина на топлина што мора да се испорача на системот за да се зголеми неговата температура за една единица. Може да се сфати и како константа на пропорционалност помеѓу топлинскиот капацитет на системот (тело, супстанцијата итн.) и неговата маса.

Вредноста на специфичната топлина на супстанцијата зависи од тоа дали загревањето (или ладењето) се врши при постојан притисок или со постојан волумен. Ова доведува до две специфични топлина за секоја супстанција, имено специфична топлина при постојан притисок (C P ) и специфична топлина при постојан волумен (C V ). Сепак, разликата може да се види само во гасовите, така што за течности и цврсти материи обично зборуваме само за сува специфична топлина.

формула за специфична топлина

Од искуство знаеме дека топлинскиот капацитет на телото е пропорционален на неговата маса, односно тоа

Пример за пресметка на специфична топлина

Како што споменавме во претходниот дел, специфичната топлина ја претставува константата на пропорционалност помеѓу овие две променливи, така што горната врска на пропорционалност може да се запише во форма на следнава равенка:

Пример за пресметка на специфична топлина

Можеме да ја решиме оваа равенка за да добиеме израз за специфичната топлина:

Пример за пресметка на специфична топлина

Од друга страна, знаеме дека топлинскиот капацитет е константа на пропорционалност помеѓу топлината (q) што е потребна за да се зголеми температурата на системот за количина ΔT и споменатото зголемување на температурата. Со други зборови, знаеме дека q = C * ΔT. Комбинирајќи ја оваа равенка со равенката за топлински капацитет прикажана погоре, добиваме:

Пример за пресметка на специфична топлина

Решавајќи ја оваа равенка за да ја пронајдеме специфичната топлина, добиваме втора равенка за неа:

Пример за пресметка на специфична топлина

Специфични единици за топлина

Последната равенка добиена за специфична топлина покажува дека единиците на оваа променлива се [q][m] -1 [ΔT] -1 , односно топлински единици над маса и температурни единици. Во зависност од системот на единици во кои работите, овие единици можат да бидат:

Единица систем Специфични топлински единици Меѓународен систем J.kg -1 .K -1 што е еквивалентно на am 2 ⋅K − 1 ⋅s − 2 царски систем BTU⋅lb − 1 ⋅°F − 1 калории cal.g -1 .°C -1 што е еквивалентно на Cal.kg -1 .°C -1 други единици kJ.kg -1 .K -1

ЗАБЕЛЕШКА: Кога ги користите овие единици, важно е да се направи разлика помеѓу cal и Cal. Првата е нормалната калории (понекогаш се нарекува мала или грам-калорична), што одговара на количината на топлина потребна за да се подигне температурата од 1 g вода, додека Cal (со голема буква) е единица еквивалентна на 1.000 cal, или, што е исто, 1 kcal. Оваа последна единица топлина се користи секојдневно во здравствените науки, особено во областа на исхраната. Во овој контекст, тоа е пар екселанс единица што се користи за да се претстави количината на енергија присутна во храната (кога зборуваме за калории во контекст на храната, речиси секогаш мислиме на Cal, а не на вар).

Примери за специфични проблеми со пресметка на топлина

Подолу се дадени два решени проблеми кои го прикажуваат и процесот на пресметување на специфичната топлина за чиста супстанција и за мешавина од чисти материи во кои ги знаеме специфичните горештини.

Задача 1: Пресметка на специфична топлина на чиста супстанција

Изјава: Сакате да го одредите составот на примерок од непознат сребрен метал. Се сомнева дека е сребро, алуминиум или платина. За да се утврди што е тоа, се мери количината на топлина потребна за загревање на 10,0 g примерок од метал од температура од 25,0 °C до нормалната точка на вриење на водата, односно 100,0 °C. добивајќи вредност од 41,92 кал. Знаејќи дека специфичната топлина на среброто, алуминиумот и платината се 0,234 kJ.kg -1 .K -1 , 0.897 kJ.kg -1 .K -1 и 0.129 kJ.kg -1 .K -1 , соодветно, Определи кој метал примерокот е направен од.

Решение

Она што го бара проблемот е да се идентификува материјалот од кој е направен предметот. Бидејќи специфичната топлина е интензивно својство, таа е карактеристична за секој материјал, па за да се идентификува, доволно е да се одреди неговата специфична топлина и потоа да се спореди со познатите вредности на сомнителните метали.

Одредувањето на специфичната топлина во овој случај се врши со три едноставни чекори:

Чекор # 1: Извлечете ги сите податоци од изјавата и извршете ги релевантните трансформации на единиците

Како и во секој проблем, првото нешто што ни треба е да ги организираме податоците за да ги имаме при рака кога е потребно. Дополнително, извршувањето на трансформациите на единиците од почеток ќе не спречи да го заборавиме подоцна, а исто така ќе ги олесни пресметките во следните чекори.

Во овој случај, изјавата ја дава масата на примерокот, почетната и крајната температура по процесот на загревање и количината на топлина потребна за загревање на примерокот. Исто така, ги дава специфичните горештини на трите кандидати метали. Во однос на единиците, можеме да забележиме дека специфичните горештини се во kJ.kg -1 .K .1 , но масата, температурите и топлината се во g, °C и cal, соодветно. Потоа мораме да ги трансформираме единиците така што сè е во истиот систем. Полесно е да се трансформираат масата, температурата и топлината одделно отколку да се трансформираат сложените единици на специфичната топлина три пати, па тоа ќе биде патеката што ќе ја следиме:

Пример за пресметка на специфична топлина Пример за пресметка на специфична топлина Пример за пресметка на специфична топлина Пример за пресметка на специфична топлина

Чекор #2: Користете ја равенката за да ја пресметате специфичната топлина

Сега кога ги имаме сите податоци што ни се потребни, сè што треба да направиме е да ја искористиме соодветната равенка за да ја пресметаме специфичната топлина. Со оглед на податоците што ги имаме, ќе ја искористиме втората равенка за Ce претставена погоре.

Пример за пресметка на специфична топлина Пример за пресметка на специфична топлина

Чекор #3: Споредете ја специфичната топлина на примерокот со познатите специфични топлина за да го идентификувате материјалот

Кога ја споредуваме специфичната топлина добиена за нашиот примерок со онаа на трите кандидати метали, забележуваме дека оној што најмногу личи на него е среброто. Поради оваа причина, ако единствените кандидати се металите сребро, алуминиум и платина, заклучуваме дека примерокот е составен од сребро.

Задача 2: Пресметка на специфична топлина на мешавина од чисти материи

Изјава: Која ќе биде просечната специфична топлина на легура која содржи 85% бакар, 5% цинк, 5% калај и 5% олово? Специфичните горештини на секој метал се, 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 .

Решение

Ова е малку поинаков проблем кој бара малку повеќе креативност. Кога имаме мешавини од различни материјали, топлинските својства и другите својства ќе зависат од конкретниот состав и, генерално, ќе се разликуваат од својствата на чистите компоненти.

Бидејќи специфичната топлина е интензивна особина, таа не е адитивна количина, што значи дека не можеме да ги додадеме специфичните топлина за да добиеме вкупна специфична топлина за смесата. Меѓутоа, она што е додаток е вкупниот топлински капацитет, бидејќи ова е обемна сопственост.

Поради оваа причина, можеме да кажеме дека, во случајот на претставената легура, вкупниот топлински капацитет на легурата ќе биде збир на топлинските капацитети на деловите од бакар, цинк, калај и олово, односно:

Пример за пресметка на специфична топлина

Меѓутоа, во секој случај топлинскиот капацитет одговара на производот помеѓу масата и специфичната топлина, така што оваа равенка може да се препише како:

Пример за пресметка на специфична топлина

Каде што C e al ја претставува просечната специфична топлина на легурата (забележете дека не е точно да се каже вкупната специфична топлина), односно непознатата што сакаме да ја најдеме. Бидејќи ова својство е интензивно, неговата пресметка нема да зависи од количината на примерокот што го имаме. Со оглед на ова, можеме да претпоставиме дека имаме 100 g легура, во тој случај масите на секоја од компонентите ќе бидат еднакви на нивните соодветни проценти. Претпоставувајќи го ова, ги добиваме сите податоци потребни за пресметка на просечната специфична топлина.

Пример за пресметка на специфична топлина

Сега ги заменуваме познатите вредности и ја вршиме пресметката. За поедноставност, единиците ќе бидат игнорирани при замена на вредности. Можеме да го направиме ова само затоа што сите специфични горештини се во истиот систем на единици, како и сите маси. Не е неопходно да се претворат масите во килограми, бидејќи грамите во броителот на крајот ќе се поништат со оние во именителот.

Пример за пресметка на специфична топлина Пример за пресметка на специфична топлина

Референци

Брончесвал СЛ. (2019, 20 декември). Б5 | Бронзена легура на бакар калај Цинк . бронзевал. https://www.broncesval.com/bronce/b5-bronce-aleacion-de-cobre-estanio-zinc/

Chang, R. (2002). Физичка хемија ( 1- во издание). MCGRAW HILL ОБРАЗОВАНИЕ.

Chang, R. (2021). Хемија ( 11-то издание). MCGRAW HILL ОБРАЗОВАНИЕ.

Франко Г., А. (2011). Определување 3 n на специфичната топлина на цврсто тело 3 . Физика со компјутер. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm

Специфична топлина на метали . (2020, 29 октомври). научнафа. https://sciencealpha.com/es/specific-heat-of-metals/