HomeviCách tính nhiệt dung riêng

Cách tính nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng (C e ) là lượng nhiệt phải được áp dụng cho một đơn vị khối lượng của vật liệu để tăng nhiệt độ của nó lên một đơn vị . Đó là một tính chất nhiệt chuyên sâu của vật chất, nghĩa là nó không phụ thuộc vào mức độ của vật liệu hoặc số lượng của nó, mà chỉ phụ thuộc vào thành phần của nó. Theo nghĩa này, đây là một thuộc tính đặc trưng có tầm quan trọng lớn để xác định các ứng dụng có thể có của từng vật liệu và giúp xác định một phần hành vi nhiệt của các chất khi chúng tiếp xúc với các vật thể hoặc môi trường ở các nhiệt độ khác nhau.

Từ một quan điểm nhất định, chúng ta có thể nói rằng nhiệt dung riêng tương ứng với phiên bản cường độ cao của nhiệt dung (C), định nghĩa nó là lượng nhiệt phải được cung cấp cho một hệ thống để tăng nhiệt độ của nó lên một đơn vị. Nó cũng có thể được hiểu là hằng số tỷ lệ giữa nhiệt dung của một hệ (cơ thể, chất, v.v.) và khối lượng của nó.

Giá trị nhiệt dung riêng của một chất phụ thuộc vào việc đun nóng (hoặc làm lạnh) được thực hiện ở áp suất không đổi hay ở thể tích không đổi. Điều này làm phát sinh hai nhiệt dung riêng cho mỗi chất, đó là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi (C P ) và nhiệt dung riêng ở thể tích không đổi (C V ). Tuy nhiên, sự khác biệt chỉ có thể được nhìn thấy trong chất khí, vì vậy đối với chất lỏng và chất rắn, chúng ta thường chỉ nói về nhiệt dung riêng khô.

công thức nhiệt cụ thể

Qua kinh nghiệm chúng ta biết rằng nhiệt dung của một vật tỷ lệ với khối lượng của nó, nghĩa là

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Như chúng tôi đã đề cập trong phần trước, nhiệt dung riêng biểu thị hằng số tỷ lệ giữa hai biến này, vì vậy mối quan hệ tỷ lệ trên có thể được viết dưới dạng phương trình sau:

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Chúng ta có thể giải phương trình này để có biểu thức cho nhiệt dung riêng:

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Mặt khác, chúng ta biết rằng nhiệt dung là hằng số tỷ lệ giữa nhiệt lượng (q) cần thiết để tăng nhiệt độ của một hệ thống lên một lượng ΔT và mức tăng nhiệt độ nói trên. Nói cách khác, chúng ta biết rằng q = C * ΔT. Kết hợp phương trình này với phương trình nhiệt dung ở trên, ta được:

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Giải phương trình này để tìm nhiệt dung riêng, chúng ta thu được phương trình thứ hai cho nó:

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Đơn vị nhiệt cụ thể

Phương trình cuối cùng thu được cho nhiệt dung riêng cho thấy đơn vị của biến này là [q][m] -1 [ΔT] -1 , nghĩa là đơn vị nhiệt trên đơn vị khối lượng và nhiệt độ. Tùy thuộc vào hệ thống các đơn vị mà bạn đang làm việc, các đơn vị này có thể là:

Hệ thống đơn vị Đơn vị nhiệt cụ thể hệ thống quốc tế J.kg -1 .K -1 tương đương với am 2 ⋅K − 1 ⋅s − 2 hệ thống đế quốc BTU⋅lb − 1 ⋅°F − 1 calo cal.g -1 .°C -1 tương đương với Cal.kg -1 .°C -1 các đơn vị khác kJ.kg -1 .K -1

LƯU Ý: Khi sử dụng các đơn vị này, điều quan trọng là phải phân biệt giữa cal và Cal. Calo đầu tiên là calo thông thường (đôi khi được gọi là calo nhỏ hoặc calo gam), tương ứng với lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của 1g nước, trong khi Cal (với một chữ in hoa) là một đơn vị tương đương với 1.000 cal, hoặc tương tự, 1 kcal. Đơn vị nhiệt cuối cùng này được sử dụng hàng ngày trong khoa học sức khỏe, đặc biệt là trong lĩnh vực dinh dưỡng. Trong bối cảnh này, nó là đơn vị xuất sắc được sử dụng để biểu thị lượng năng lượng có trong thực phẩm (khi chúng ta nói về lượng calo trong bối cảnh thực phẩm, chúng ta hầu như luôn muốn nói đến Cal chứ không phải vôi).

Ví dụ về các vấn đề tính toán nhiệt cụ thể

Dưới đây là hai bài toán đã giải minh họa cho cả quá trình tính nhiệt dung riêng cho một chất nguyên chất và cho hỗn hợp các chất nguyên chất trong đó chúng ta đã biết nhiệt dung riêng.

Bài 1: Tính nhiệt dung riêng của một chất nguyên chất

Phát biểu: Bạn muốn xác định thành phần của một mẫu kim loại bạc chưa biết. Người ta nghi ngờ rằng nó có thể là bạc, nhôm hoặc bạch kim. Để xác định nó là gì, lượng nhiệt cần thiết để đun nóng một mẫu kim loại 10,0 g từ nhiệt độ 25,0°C đến nhiệt độ sôi bình thường của nước, tức là 100,0°C, được đo. 41,92 calo. Biết nhiệt dung riêng của bạc, nhôm và bạch kim lần lượt là 0,234 kJ.kg -1 .K -1 , 0,897 kJ.kg -1 .K -1 và 0,129 kJ.kg -1 .K -1 , Hãy xác định kim loại nào mẫu được làm bằng.

Giải pháp

Những gì vấn đề yêu cầu là xác định vật liệu mà đối tượng được tạo ra. Vì nhiệt dung riêng là một tính chất chuyên sâu, nó là đặc trưng của từng vật liệu nên để xác định được nó, chỉ cần xác định nhiệt dung riêng của nó rồi so sánh với các giá trị đã biết của các kim loại nghi ngờ.

Việc xác định nhiệt dung riêng trong trường hợp này được thực hiện bằng ba bước đơn giản:

Bước #1: Trích xuất tất cả dữ liệu từ câu lệnh và thực hiện các phép biến đổi đơn vị có liên quan

Như trong bất kỳ vấn đề nào, điều đầu tiên chúng ta cần là sắp xếp dữ liệu để có sẵn khi cần. Ngoài ra, việc thực hiện các phép biến đổi đơn vị ngay từ đầu sẽ giúp chúng ta đỡ quên về sau và cũng giúp cho việc tính toán ở các bước sau dễ dàng hơn.

Trong trường hợp này, tuyên bố đưa ra khối lượng của mẫu, nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng sau quá trình gia nhiệt và lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt mẫu. Nó cũng đưa ra nhiệt dung riêng của ba kim loại ứng cử viên. Về đơn vị, chúng ta có thể lưu ý rằng nhiệt dung riêng tính bằng kJ.kg -1 .K .1 , nhưng khối lượng, nhiệt độ và nhiệt tương ứng tính bằng g, °C và cal. Sau đó, chúng ta phải biến đổi các đơn vị để mọi thứ nằm trong cùng một hệ thống. Biến đổi khối lượng, nhiệt độ và nhiệt năng một cách riêng biệt sẽ dễ dàng hơn là biến đổi các đơn vị phức hợp của nhiệt dung riêng ba lần, vì vậy đó sẽ là con đường chúng ta sẽ đi theo:

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng Ví dụ về tính nhiệt dung riêng Ví dụ về tính nhiệt dung riêng Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Bước #2: Sử dụng phương trình để tính nhiệt dung riêng

Bây giờ chúng ta đã có tất cả dữ liệu cần thiết, tất cả những gì chúng ta cần làm là sử dụng phương trình thích hợp để tính nhiệt dung riêng. Với dữ liệu chúng tôi có, chúng tôi sẽ sử dụng phương trình thứ hai cho Ce được trình bày ở trên.

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Bước #3: So sánh nhiệt dung riêng của mẫu với nhiệt dung riêng đã biết để xác định vật liệu

Khi so sánh nhiệt dung riêng thu được của mẫu của chúng tôi với nhiệt dung riêng của ba kim loại ứng cử viên, chúng tôi quan sát thấy rằng kim loại giống mẫu nhất là bạc. Vì lý do này, nếu các ứng cử viên duy nhất là các kim loại bạc, nhôm và bạch kim, chúng tôi kết luận rằng mẫu này bao gồm bạc.

Bài 2: Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp các chất nguyên chất

Phát biểu: Nhiệt dung riêng trung bình của một hợp kim chứa 85% đồng, 5% kẽm, 5% thiếc và 5% chì sẽ là bao nhiêu? Nhiệt dung riêng của mỗi kim loại là 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 .

Giải pháp

Đây là một vấn đề hơi khác đòi hỏi sự sáng tạo hơn một chút. Khi chúng ta có hỗn hợp các vật liệu khác nhau, tính chất nhiệt và các tính chất khác sẽ phụ thuộc vào thành phần cụ thể và nói chung sẽ khác với tính chất của các thành phần nguyên chất.

Vì nhiệt dung riêng là một đặc tính chuyên sâu, nên nó không phải là đại lượng cộng, có nghĩa là chúng ta không thể cộng các nhiệt dung riêng để có tổng nhiệt dung riêng cho hỗn hợp. Tuy nhiên, phụ gia là tổng công suất nhiệt, vì đây là một đặc tính mở rộng.

Vì lý do này, chúng ta có thể nói rằng, trong trường hợp hợp kim được trình bày, tổng nhiệt dung của hợp kim sẽ là tổng nhiệt dung của các phần đồng, kẽm, thiếc và chì, nghĩa là:

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Tuy nhiên, trong mỗi trường hợp, nhiệt dung tương ứng với tích giữa khối lượng và nhiệt dung riêng, vì vậy phương trình này có thể được viết lại thành:

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Trong đó C e al đại diện cho nhiệt dung riêng trung bình của hợp kim (lưu ý rằng nói tổng nhiệt dung riêng là không chính xác), tức là ẩn số mà chúng ta muốn tìm. Vì tính chất này chuyên sâu nên việc tính toán nó sẽ không phụ thuộc vào lượng mẫu mà chúng tôi có. Theo quan điểm này, chúng ta có thể giả sử rằng chúng ta có 100 g hợp kim, trong trường hợp đó, khối lượng của từng thành phần sẽ bằng tỷ lệ phần trăm tương ứng của chúng. Bằng cách giả định điều này, chúng ta có được tất cả dữ liệu cần thiết để tính nhiệt dung riêng trung bình.

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Bây giờ chúng tôi thay thế các giá trị đã biết và thực hiện phép tính. Để đơn giản, các đơn vị sẽ được bỏ qua khi thay thế các giá trị. Chúng ta chỉ có thể làm điều này vì tất cả các nhiệt dung riêng đều nằm trong cùng một hệ thống đơn vị, cũng như tất cả các khối lượng. Không cần thiết phải chuyển đổi khối lượng thành kilôgam, vì gam ở tử số cuối cùng sẽ triệt tiêu với gam ở mẫu số.

Ví dụ về tính nhiệt dung riêng Ví dụ về tính nhiệt dung riêng

Người giới thiệu

Bronceval SL. (2019, ngày 20 tháng 12). B5 | Đồng thiếc hợp kim đồng kẽm . đồng thau. https://www.broncesval.com/bronce/b5-bronce-aleacion-de-cobre-estanio-zinc/

Chang, R. (2002). Hóa học vật lý ( tái bản lần 1 ). GIÁO DỤC MCGRAW HILL.

Chang, R. (2021). Hóa học ( 11th ed.). GIÁO DỤC MCGRAW HILL.

Franco G., A. (2011). Xác định 3 n nhiệt dung riêng của chất rắn 3 . Vật lý với máy tính. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm

Nhiệt dung riêng của kim loại . (2020, ngày 29 tháng 10). khoa học. https://scicalpha.com/es/specific-heat-of-metals/