HomeroCum se calculează căldura specifică

Cum se calculează căldura specifică

Căldura specifică (C e ) este cantitatea de căldură care trebuie aplicată unei unități de masă a unui material pentru a-i crește temperatura cu o unitate . Este o proprietate termică intensivă a materiei, adică nu depinde de întinderea materialului sau de cantitatea acestuia, ci doar de compoziția sa. În acest sens, este o proprietate caracteristică de mare importanță pentru a determina aplicațiile posibile ale fiecărui material, și care ajută la determinarea unei părți a comportamentului termic al substanțelor atunci când acestea vin în contact cu corpuri sau medii care se află la temperaturi diferite.

Dintr-un anumit punct de vedere am putea spune că căldura specifică corespunde versiunii intensive a capacității termice (C), definindu-l ca fiind cantitatea de căldură care trebuie furnizată unui sistem pentru a-și crește temperatura cu o unitate. Poate fi înțeles și ca constanta de proporționalitate între capacitatea termică a unui sistem (un corp, o substanță etc.) și masa acestuia.

Valoarea căldurii specifice a unei substanțe depinde dacă încălzirea (sau răcirea) se efectuează la presiune constantă sau la volum constant. Acest lucru dă naștere la două călduri specifice pentru fiecare substanță, și anume căldura specifică la presiune constantă (C P ) și căldura specifică la volum constant (C V ). Cu toate acestea, diferența poate fi văzută doar în gaze, așa că pentru lichide și solide vorbim de obicei doar despre căldură specifică uscată.

formula termica specifica

Știm din experiență că capacitatea termică a unui corp este proporțională cu masa lui, adică aceea

Exemplu de calcul al căldurii specifice

După cum am menționat în secțiunea anterioară, căldura specifică reprezintă constanta de proporționalitate dintre aceste două variabile, astfel încât relația de proporționalitate de mai sus poate fi scrisă sub forma următoarei ecuații:

Exemplu de calcul al căldurii specifice

Putem rezolva această ecuație pentru a obține o expresie pentru căldura specifică:

Exemplu de calcul al căldurii specifice

Pe de altă parte, știm că capacitatea termică este constanta de proporționalitate dintre căldura (q) necesară pentru a crește temperatura unui sistem cu o cantitate ΔT și creșterea menționată a temperaturii. Cu alte cuvinte, știm că q = C * ΔT. Combinând această ecuație cu ecuația capacității termice prezentate mai sus, obținem:

Exemplu de calcul al căldurii specifice

Rezolvând această ecuație pentru a găsi căldura specifică, obținem o a doua ecuație pentru ea:

Exemplu de calcul al căldurii specifice

Unități de căldură specifice

Ultima ecuație obținută pentru căldura specifică arată că unitățile acestei variabile sunt [q][m] -1 [ΔT] -1 , adică unitățile de căldură peste unitățile de masă și temperatură. În funcție de sistemul de unități în care lucrați, aceste unități pot fi:

Sistem unitar Unități termice specifice Sistemul internațional J.kg -1 .K -1 care este echivalent cu am 2 ⋅K − 1 ⋅s − 2 sistem imperial BTU⋅lb − 1 ⋅°F − 1 calorii cal.g -1 .°C -1 care este echivalent cu Cal.kg -1 .°C -1 alte unitati kJ.kg -1 .K -1

NOTĂ: Când utilizați aceste unități, este important să faceți distincția între cal și Cal. Prima este caloria normală (uneori numită calorie mică sau gram-calorie), corespunzătoare cantității de căldură necesară pentru a crește temperatura a 1 g de apă, în timp ce Cal (cu literă mare) este o unitate echivalentă cu 1.000 cal, sau, ceea ce este la fel, 1 kcal. Această ultimă unitate de căldură este folosită zilnic în științele sănătății, în special în domeniul nutriției. În acest context, este unitatea prin excelență folosită pentru a reprezenta cantitatea de energie prezentă în alimente (când vorbim de calorii în contextul alimentelor, aproape întotdeauna ne referim la Cal și nu la var).

Exemple de probleme specifice de calcul a căldurii

Mai jos sunt două probleme rezolvate care exemplifica atât procesul de calcul al căldurii specifice pentru o substanță pură, cât și pentru un amestec de substanțe pure în care cunoaștem căldurile specifice.

Problema 1: Calcularea căldurii specifice a unei substanțe pure

Afirmație: Doriți să determinați compoziția unei probe dintr-un metal argintiu necunoscut. Se suspectează că ar putea fi argint, aluminiu sau platină. Pentru a determina ce este, se măsoară cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o probă de 10,0 g de metal de la o temperatură de 25,0°C până la punctul normal de fierbere al apei, adică 100,0°C, obținându-se o valoare de 41,92 cal. Știind că căldurile specifice argintului, aluminiului și platinei sunt de 0,234 kJ.kg -1 .K -1 , 0.897 kJ.kg -1 .K -1 și respectiv 0.129 kJ.kg -1 .K -1 , Determinați ce metal proba este alcatuita din.

Soluţie

Ceea ce cere problema este identificarea materialului din care este realizat obiectul. Deoarece căldura specifică este o proprietate intensivă, este caracteristică fiecărui material, așa că pentru a-l identifica, este suficient să-i determinați căldura specifică și apoi să o comparați cu valorile cunoscute ale metalelor suspectate.

Determinarea căldurii specifice în acest caz se realizează prin intermediul a trei pași simpli:

Pasul #1: Extrageți toate datele din declarație și efectuați transformările de unități relevante

Ca în orice problemă, primul lucru de care avem nevoie este să organizăm datele pentru a le avea la îndemână atunci când este nevoie. În plus, efectuarea transformărilor de unități de la început ne va împiedica să o uităm ulterior și va ușura și calculele în pașii următori.

În acest caz, declarația oferă masa probei, temperaturile inițiale și finale după un proces de încălzire și cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea probei. De asemenea, oferă căldurile specifice celor trei metale candidate. În ceea ce privește unitățile, putem observa că căldurile specifice sunt în kJ.kg -1 .K .1 , dar masa, temperaturile și căldura sunt în g, °C și, respectiv, cal. Apoi trebuie să transformăm unitățile astfel încât totul să fie în același sistem. Este mai ușor să transformați masa, temperatura și căldura separat decât să transformați de trei ori unitățile compuse ale căldurii specifice, așa că acesta va fi calea pe care o vom urma:

Exemplu de calcul al căldurii specifice Exemplu de calcul al căldurii specifice Exemplu de calcul al căldurii specifice Exemplu de calcul al căldurii specifice

Pasul #2: Folosiți ecuația pentru a calcula căldura specifică

Acum că avem toate datele de care avem nevoie, tot ce trebuie să facem este să folosim ecuația corespunzătoare pentru a calcula căldura specifică. Având în vedere datele pe care le avem, vom folosi a doua ecuație pentru Ce prezentată mai sus.

Exemplu de calcul al căldurii specifice Exemplu de calcul al căldurii specifice

Pasul #3: Comparați căldura specifică a probei cu căldurile specifice cunoscute pentru a identifica materialul

Când comparăm căldura specifică obținută pentru proba noastră cu cea a celor trei metale candidate, observăm că cea care seamănă cel mai mult cu aceasta este argintul. Din acest motiv, dacă singurii candidați sunt metalele argint, aluminiu și platină, ajungem la concluzia că proba este compusă din argint.

Problema 2: Calculul căldurii specifice a unui amestec de substanțe pure

Afirmație: Care va fi căldura specifică medie a unui aliaj care conține 85% cupru, 5% zinc, 5% staniu și 5% plumb? Călurile specifice fiecărui metal sunt, C e, Cu = 385 J.kg -1 .K -1 ; Ce , Zn = 381 J.kg – 1.K – 1 ; Ce , Sn = 230 J.kg- 1 .K – 1 ; Ce , Pb = 130 J.kg – 1.K – 1 .

Soluţie

Aceasta este o problemă puțin diferită, care necesită puțin mai multă creativitate. Când avem amestecuri de materiale diferite, proprietățile termice și alte proprietăți vor depinde de compoziția particulară și, în general, vor fi diferite de proprietățile componentelor pure.

Deoarece căldura specifică este o proprietate intensivă, nu este o cantitate aditivă, ceea ce înseamnă că nu putem adăuga căldurile specifice pentru a obține o căldură specifică totală pentru un amestec. Cu toate acestea, ceea ce este aditiv este capacitatea totală de căldură, deoarece aceasta este o proprietate extinsă.

Din acest motiv putem spune că, în cazul aliajului prezentat, capacitatea termică totală a aliajului va fi suma capacităților termice ale porțiunilor de cupru, zinc, staniu și plumb, adică:

Exemplu de calcul al căldurii specifice

Cu toate acestea, în fiecare caz, capacitatea termică corespunde produsului dintre masă și căldura specifică, astfel încât această ecuație poate fi rescrisă ca:

Exemplu de calcul al căldurii specifice

Unde C e al reprezintă căldura specifică medie a aliajului (rețineți că nu este corect să spunem căldura specifică totală), adică necunoscutul pe care dorim să îl găsim. Deoarece această proprietate este intensivă, calculul ei nu va depinde de cantitatea de probă pe care o avem. Având în vedere acest lucru, putem presupune că avem 100 g de aliaj, caz în care masele fiecăruia dintre componente vor fi egale cu procentele lor respective. Presupunând acest lucru, obținem toate datele necesare pentru calcularea căldurii specifice medii.

Exemplu de calcul al căldurii specifice

Acum înlocuim valorile cunoscute și efectuăm calculul. Pentru simplitate, unitățile vor fi ignorate la înlocuirea valorilor. Putem face acest lucru doar pentru că toate căldurile specifice sunt în același sistem de unități, la fel ca toate masele. Nu este necesar să convertiți masele în kilograme, deoarece gramele din numărător se vor anula în cele din urmă cu cele din numitor.

Exemplu de calcul al căldurii specifice Exemplu de calcul al căldurii specifice

Referințe

Broncesval SL. (20 decembrie 2019). B5 | Bronz aliaj de cupru staniu zinc . bronzeval. https://www.broncesval.com/bronce/b5-bronce-aleacion-de-cobre-estanio-zinc/

Chang, R. (2002). Chimie fizică ( ed. I ). MCGRAW HILL EDUCAȚIE.

Chang, R. (2021). Chimie ( ed. a 11 -a). MCGRAW HILL EDUCAȚIE.

Franco G., A. (2011). Determinarea 3 n a căldurii specifice a unui solid 3 . Fizica cu calculatorul. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm

Căldura specifică a metalelor . (29 octombrie 2020). sciencealpha. https://sciencealpha.com/es/specific-heat-of-metals/