HomesrКако израчунати специфичну топлоту

Како израчунати специфичну топлоту

Специфична топлота (Це ) је количина топлоте која се мора применити на јединицу масе материјала да би се температура подигла за једну јединицу . То је интензивно топлотно својство материје, односно не зависи од обима материјала или његове количине, већ само од његовог састава. У том смислу, то је карактеристично својство које је од великог значаја за одређивање могућих примена сваког материјала, а које помаже да се утврди део термичког понашања супстанци када дођу у контакт са телима или медијима који су на различитим температурама.

Са одређене тачке гледишта, можемо рећи да специфична топлота одговара интензивној верзији топлотног капацитета (Ц), дефинишући је као количину топлоте која се мора предати систему да би се његова температура повећала за једну јединицу. Може се схватити и као константа пропорционалности између топлотног капацитета система (тела, супстанце итд.) и његове масе.

Вредност специфичне топлоте супстанце зависи од тога да ли се загревање (или хлађење) врши при константном притиску или при константној запремини. Ово доводи до две специфичне топлоте за сваку супстанцу, односно специфичне топлоте при константном притиску (Ц П ) и специфичне топлоте при константној запремини (Ц В ). Међутим, разлика се може видети само у гасовима, тако да за течности и чврсте материје обично говоримо само о сувој специфичној топлоти.

формула специфичне топлоте

Из искуства знамо да је топлотни капацитет тела сразмеран његовој маси, тј

Пример прорачуна специфичне топлоте

Као што смо поменули у претходном одељку, специфична топлота представља константу пропорционалности између ове две варијабле, тако да се горњи однос пропорционалности може записати у облику следеће једначине:

Пример прорачуна специфичне топлоте

Можемо да решимо ову једначину да добијемо израз за специфичну топлоту:

Пример прорачуна специфичне топлоте

С друге стране, знамо да је топлотни капацитет константа пропорционалности између топлоте (к) која је потребна за повећање температуре система за износ ΔТ и наведеног повећања температуре. Другим речима, знамо да је к = Ц * ΔТ. Комбинујући ову једначину са једначином топлотног капацитета приказаном изнад, добијамо:

Пример прорачуна специфичне топлоте

Решавајући ову једначину да бисмо пронашли специфичну топлоту, добијамо другу једначину за њу:

Пример прорачуна специфичне топлоте

Специфичне топлотне јединице

Последња једначина добијена за специфичну топлоту показује да су јединице ове променљиве [к][м] -1 [ΔТ] -1 , односно јединице топлоте у односу на јединице масе и температуре. У зависности од система јединица у којима радите, ове јединице могу бити:

Систем јединица Специфичне топлотне јединице Међународни систем Ј.кг -1 .К -1 што је еквивалентно ам 2 ⋅К − 1 ⋅с − 2 империјални систем БТУ⋅лб − 1 ⋅°Ф − 1 калорија кал.г -1 .°Ц -1 што је еквивалентно кал.кг -1 .°Ц -1 друге јединице кЈ.кг -1 .К -1

НАПОМЕНА: Када користите ове јединице важно је разликовати цал и Цал. Прва је нормална калорија (понекад се назива мала калорија или грам-калорија), која одговара количини топлоте која је потребна за подизање температуре 1г воде, док Кал (са великим словом) је јединица еквивалентна 1.000 цал, или, што је исто, 1 кцал. Ова последња јединица топлоте се свакодневно користи у здравственим наукама, посебно у области исхране. У овом контексту, то је јединица пар екцелленце која се користи за представљање количине енергије присутне у храни (када говоримо о калоријама у контексту хране, скоро увек мислимо на Цал а не на креч).

Примери задатака прорачуна специфичне топлоте

Испод су два решена проблема која илуструју процес израчунавања специфичне топлоте за чисту супстанцу и за смешу чистих супстанци у којој знамо специфичне топлоте.

Задатак 1: Израчунавање специфичне топлоте чисте супстанце

Изјава: Желите да одредите састав узорка непознатог метала сребра. Сумња се да може бити сребро, алуминијум или платина. Да би се утврдило шта је то, мери се количина топлоте потребна да се узорак метала од 10,0 г загреје са температуре од 25,0°Ц до нормалне тачке кључања воде, односно 100,0°Ц. 41,92 цал. Знајући да су специфичне топлоте сребра, алуминијума и платине 0,234 кЈ.кг -1 .К -1 , 0,897 кЈ.кг -1 .К -1 и 0,129 кЈ.кг -1 .К -1 , респективно, Одредите који метал узорак је направљен од.

Решење

Оно што проблем тражи јесте идентификовање материјала од којег је предмет направљен. Пошто је специфична топлота интензивна особина, она је карактеристична за сваки материјал, па је за њену идентификацију довољно одредити његову специфичну топлоту, а затим је упоредити са познатим вредностима сумњивих метала.

Одређивање специфичне топлоте у овом случају се врши помоћу три једноставна корака:

Корак #1: Извуците све податке из изјаве и извршите релевантне трансформације јединица

Као иу сваком проблему, прва ствар коју требамо је да организујемо податке тако да буду при руци када затребају. Поред тога, извођење трансформације јединица од почетка ће нас спречити да то касније заборавимо и такође ће олакшати прорачуне у следећим корацима.

У овом случају, изјава даје масу узорка, почетну и крајњу температуру након процеса загревања и количину топлоте која је потребна за загревање узорка. Такође даје специфичне топлоте три метала кандидата. У погледу јединица, можемо приметити да су специфичне топлоте у кЈ.кг -1 .К .1 , али су маса, температуре и топлота у г, °Ц и цал, респективно. Затим морамо трансформисати јединице тако да све буде у истом систему. Лакше је одвојено трансформисати масу, температуру и топлоту него три пута трансформисати сложене јединице специфичне топлоте, па ће то бити пут којим ћемо ићи:

Пример прорачуна специфичне топлоте Пример прорачуна специфичне топлоте Пример прорачуна специфичне топлоте Пример прорачуна специфичне топлоте

Корак #2: Користите једначину за израчунавање специфичне топлоте

Сада када имамо све податке који су нам потребни, све што треба да урадимо је да употребимо одговарајућу једначину за израчунавање специфичне топлоте. С обзиром на податке којима располажемо, користићемо другу једначину за Це приказану горе.

Пример прорачуна специфичне топлоте Пример прорачуна специфичне топлоте

Корак #3: Упоредите специфичну топлоту узорка са познатим специфичним топлотама да бисте идентификовали материјал

Када упоредимо специфичну топлоту добијену за наш узорак са оном од три метала кандидата, примећујемо да је онај који највише личи на сребро. Из тог разлога, ако су једини кандидати метали сребро, алуминијум и платина, закључујемо да је узорак састављен од сребра.

Задатак 2: Прорачун специфичне топлоте смеше чистих супстанци

Изјава: Колика ће бити просечна специфична топлота легуре која садржи 85% бакра, 5% цинка, 5% калаја и 5% олова? Специфичне топлоте сваког метала су, Ц е, Цу = 385 Ј.кг -1 .К -1 ; Ц е, Зн =381 Ј.кг -1 .К -1 ; Ц е, Сн = 230 Ј.кг -1 .К -1 ; Ц е, Пб = 130 Ј.кг -1 .К -1 .

Решење

Ово је мало другачији проблем који захтева мало више креативности. Када имамо мешавине различитих материјала, термичка својства и друга својства ће зависити од одређеног састава и, генерално, биће различити од особина чистих компоненти.

Пошто је специфична топлота интензивно својство, то није адитивна величина, што значи да не можемо додати специфичне топлоте да бисмо добили укупну специфичну топлоту за смешу. Међутим, оно што је адитив је укупни топлотни капацитет, пошто је ово екстензивно својство.

Из тог разлога можемо рећи да ће у случају приказане легуре укупан топлотни капацитет легуре бити збир топлотних капацитета делова бакра, цинка, калаја и олова, односно:

Пример прорачуна специфичне топлоте

Међутим, у сваком случају топлотни капацитет одговара производу између масе и специфичне топлоте, тако да се ова једначина може преписати као:

Пример прорачуна специфичне топлоте

Где Ц е ал представља просечну специфичну топлоту легуре (имајте на уму да није тачно рећи укупна специфична топлота), односно непознату коју желимо да пронађемо. Како је ово својство интензивно, његово израчунавање неће зависити од количине узорка који имамо. С обзиром на ово, можемо претпоставити да имамо 100 г легуре, у ком случају ће масе сваке од компоненти бити једнаке њиховим одговарајућим процентима. Овом претпоставком добијамо све податке потребне за прорачун просечне специфичне топлоте.

Пример прорачуна специфичне топлоте

Сада замењујемо познате вредности и вршимо прорачун. Ради једноставности, јединице ће бити занемарене приликом замене вредности. То можемо само зато што су све специфичне топлоте у истом систему јединица, као и све масе. Није потребно претварати масе у килограме, јер ће се грами у бројиоцу на крају поништити са онима у имениоцу.

Пример прорачуна специфичне топлоте Пример прорачуна специфичне топлоте

Референце

Бронцесвал СЛ. (20. децембар 2019). Б5 | Бронза Легура бакра Калај Цинк . бронзани. хттпс://ввв.бронцесвал.цом/бронце/б5-бронце-алеацион-де-цобре-естанио-зинц/

Цханг, Р. (2002). Физичка хемија ( 1. изд.). МЦГРАВ ХИЛЛ ЕДУЦАТИОН.

Цханг, Р. (2021). Хемија ( 11. изд.). МЦГРАВ ХИЛЛ ЕДУЦАТИОН.

Франко Г., А. (2011). Одређивање 3 н специфичне топлоте чврстог тела 3 . Физика са рачунаром. хттп://ввв.сц.еху.ес/сбвеб/фисица/естадистица/отрос/цалориметро/цалориметро.хтм

Специфична топлота метала . (2020, 29. октобар). сциенцеалпха. хттпс://сциенцеалпха.цом/ес/специфиц-хеат-оф-металс/