OMINAISLÄMPÖ: MISTÄ SE KOOSTUU, KUINKA SE LASKETAAN JA ESIMERKKEJÄ - KEMIA

Erityinen lämpö on määrä energiaa absorboituu yksi gramma aineen sen lämpötilan nostamiseksi, jonka yksi celsiusaste. Se on intensiivinen fysikaalinen ominaisuus, koska se ei riipu massasta, koska se ilmaistaan vain yhdelle grammalle ainetta; se liittyy kuitenkin hiukkasten lukumäärään ja niiden moolimassaan, samoin kuin molekyylien välisiin voimiin, jotka niitä sitovat.

Aineen absorboima energian määrä ilmaistaan jouleyksikköinä (J) ja harvemmin kaloreina (Cal). Yleensä oletetaan, että energia imeytyy lämmön kautta; energia voi kuitenkin tulla muusta lähteestä, kuten esimerkiksi aineelle tehdyt työt (esimerkiksi tiukka sekoittaminen).

Kiehuvaa vettä. Lähde: Pixabay

Yllä oleva kuva näyttää vedenkeittimen, josta sen lämmityksen aiheuttamat vesihöyryt vapautuvat. Veden lämmittämiseksi sen on absorboitava lämpöä kattilan alla olevasta liekistä. Siten ajan myötä ja tulipalon voimakkuudesta riippuen vesi kiehuu saavuttaessaan kiehumispisteensä.

Ominaislämpö määrää, kuinka paljon energiaa vesi kuluttaa kutakin astetta astetta kohden, sen lämpötilan noustessa. Tämä arvo on vakio, jos samassa vedenkeittimessä lämmitetään erilaisia vesimääriä, koska kuten alussa mainittiin, se on intensiivinen ominaisuus.

Mikä vaihtelee, on energian kokonaismäärä, jonka absorboi kukin lämmitetyn veden massa, joka tunnetaan myös nimellä lämpökapasiteetti. Mitä suurempi lämmitettävän veden massa (2, 4, 10, 20 litraa), sitä suurempi on sen lämpökapasiteetti; mutta sen ominaislämpö pysyy samana.

Tämä ominaisuus riippuu paineesta, lämpötilasta ja tilavuudesta; yksinkertaisen ymmärtämisen vuoksi niitä vastaavat muunnelmat on kuitenkin jätetty pois.

Mikä on ominaislämpö?

Mitä tietty lämpö tarkoitti tietylle aineelle, määriteltiin. Sen todellinen merkitys ilmaistaan kuitenkin paremmin kaavalla, joka tekee yksiköidensä kautta selväksi, mikä on välykset, joihin se liittyy, kun muuttujia, joista se riippuu, analysoidaan. Sen kaava on:

Ce = Q / AT m

Missä Q on absorboitunut lämpö, ΔT lämpötilan muutos ja m on aineen massa; joka määritelmän mukaan vastaa grammaa. Analysoimalla yksiköitä meillä on:

Ce = J / ºC · g

Mikä voidaan ilmaista myös seuraavilla tavoilla:

Ce = kJ / Kg

Ce = J / ºC · kg

Ensimmäinen niistä on yksinkertaisin, ja sen avulla esimerkkejä käsitellään seuraavissa kohdissa.

Kaava ilmaisee nimenomaisesti yhden gramman aineen absorboiman energian määrän (J) yhdessä asteessa ºC. Jos haluamme tyhjentää tämän määrän energiaa, meidän on jätettävä yhtälö J sivuun:

J = Ce · ° C · g

Se ilmaistaan tarkoituksenmukaisemmalla tavalla ja muuttujien mukaan seuraavasti:

Q = Ce ΔT m

Kuinka ominaislämpö lasketaan?

Vesi viitteenä

Yllä olevassa kaavassa 'm' ei edusta grammaa ainetta, koska se löytyy jo implisiittisesti Ce: stä. Tämä kaava on erittäin hyödyllinen laskettaessa erilaisten aineiden ominaislämpöä kalorimetrian avulla.

Miten? Käytetään kaloreiden määritelmää, joka on tarvittava energiamäärä gramman veden lämmittämiseksi 14,5-15,5 ºC; tämä on yhtä kuin 4 184 J.

Veden ominaislämpö on epänormaalin korkea, ja tätä ominaisuutta käytetään mittaamaan muiden aineiden ominaislämpöä, joiden arvo on 4,184 J.

Mitä tarkoittaa, että tietty lämpö on korkea? Että se kestää huomattavasti lämpötilan nousua, joten sen on absorboitava enemmän energiaa. ts. vettä on lämmitettävä paljon kauemmin kuin muihin aineisiin, jotka lämmönlähteen lähellä kuumenevat melkein heti.

Tästä syystä vettä käytetään kalorimetrisiin mittauksiin, koska siinä ei esiinny äkillisiä lämpötilan muutoksia absorboidessaan kemiallisista reaktioista vapautunutta energiaa; tai tässä tapauksessa kosketuksesta toiseen kuumempaan materiaaliin.

Terminen tasapaino

Koska veden on absorboitava paljon lämpöä lämpötilan nostamiseksi, lämpö voi tulla esimerkiksi kuumasta metallista. Kun otetaan huomioon veden ja metallin massat, niiden välillä tapahtuu lämmönvaihto, kunnes saavutetaan ns. Lämpötasapaino.

Kun tätä tapahtuu, veden ja metallin lämpötilat tasaantuvat. Kuuman metallin lähettämä lämpö on yhtä suuri kuin veden absorboima lämpö.

Matemaattinen kehitys

Tietäen tämän ja juuri kuvatun viimeisen Q-kaavan kanssa meillä on:

Q _vesi = -Q _metalli

Negatiivinen merkki osoittaa, että lämpö vapautuu lämpimämmästä kappaleesta (metalli) jäähdyttimen runkoon (vesi). Jokaisella aineella on oma ominaislämpö Ce ja massa, joten tämä ilmaisu on kehitettävä seuraavasti:

Q _Vesi = Ce _Vesi · ΔT _Vesi · m _Vesi = - (Ce _Metal · ΔT _Metal · m _Metal)

Tuntematon on Ce _Metal, koska termisessä tasapainossa lopullinen lämpötila sekä vedelle että metalli on sama; lisäksi veden ja metallin alkulämpötilat ja niiden massat tunnetaan ennen kosketusta. Siksi Ce _Metal on puhdistettava:

Ce- _metalli = (Ce- _vesi · ΔT _vesi · m _vesi) / (-ΔT _metalli · m _metalli)

Unohtamatta, että Ce- _vesi on 4,184 J / ºC · g. Jos kehitetään ΔT- _vettä ja ΔT- _metallia, meillä on vastaavasti (_Tf - T _vesi) ja (_Tf - T _metalli). Vesi lämpenee, kun taas metalli jäähtyy, ja siksi negatiivinen merkki kertoo ΔT- _metallin poistumisen (T- _metalli - _Tf). Muutoin ΔT- _metallilla olisi negatiivinen arvo, koska se on _Tf pienempi (kylmempi) kuin T _Metalli.

Yhtälö ilmaistaan lopulta tällä tavalla:

Ce- _metalli = Ce- _vesi · (_Tf - T- _vesi) · m _Vesi ((T- _metalli - _Tf) · m _metalli

Ja sen avulla erityiset lämmittimet lasketaan.

Laskentaesimerkki

On omituisen metallin pallo, joka painaa 130 g ja jonka lämpötila on 90ºC. Se upotetaan 100 g vesisäiliöön 25ºC: n lämpötilassa kalorimetrin sisällä. Lämpötilatasapainon saavuttaessa säiliön lämpötila nousee 40 ° C: seen. Laske metallin Ce.

Lopullinen lämpötila, _Tf, on 40 ° C. Tietäen muut tiedot Ce voidaan sitten määrittää suoraan:

Ce _Metal = (4184 J / ° C · g · (40-25) ° C · 100 g) / (90-40) ° C · 130g

Ce _Metal = 0,965 J / ° C · g

Huomaa, että veden ominaislämpö on noin neljä kertaa metallin lämpö (4,144 / 0,965).

Kun Ce on hyvin pieni, sitä suurempi on sen taipumus kuumentua; joka liittyy sen lämmönjohtavuuteen ja diffuusioon. Metallilla, jolla on korkeampi Ce, on taipumus vapauttaa tai menettää enemmän lämpöä, kun se joutuu kosketuksiin toisen materiaalin kanssa, verrattuna toiseen metalliin, jolla on alhaisempi Ce.

esimerkit

Eri aineiden erityiset lämmittimet on esitetty alla.

vesi

Veden ominaislämpö, kuten todettiin, on 4,184 J / ° C · g.

Tämän arvon ansiosta se voi saada paljon aurinkoa merelle ja vesi tuskin haihtuu huomattavassa määrin. Tämä johtaa lämpöeroon, joka ei vaikuta meren elämään. Esimerkiksi mennessäsi uimarannalle uimaan, vaikka ulkona onkin hyvin aurinkoista, vesi tuntuu matalammasta, viileämmästä lämpötilasta.

Kuuman veden on myös vapautettava paljon energiaa jäähtyäkseen. Prosessissa se lämmittää kiertäviä ilmamassoja nostaen (leuto) lämpötiloja jonkin verran rannikkoalueilla talvien aikana.

Toinen mielenkiintoinen esimerkki on, että jos meitä ei olisi tehty vedestä, aurinkoinen päivä voi olla tappava, koska kehomme lämpötila nousee nopeasti.

Tämä ainutlaatuinen Ce-arvo johtuu molekyylien välisistä vety sidoksista. Ne absorboivat lämpöä hajottaakseen, joten ne varastoivat energiaa. Ennen kuin ne rikkoutuvat, vesimolekyylit eivät pysty värähtelemään lisäämällä keskimääräistä kineettistä energiaa, mikä heijastuu lämpötilan nousuun.

jää

Jään ominaislämpö on 2 090 J / ºC · g. Kuten vedessäkin, sillä on poikkeuksellisen korkea arvo. Tämä tarkoittaa, että esimerkiksi jäävuoreen tulisi absorboida valtava määrä lämpöä lämpötilan nostamiseksi. Jotkut jäävuoret ovat kuitenkin nykyään jopa absorboineet sulamiseen tarvittavan lämmön (sulatettu sulamislämpö).

Alumiini

Alumiinin ominaislämpö on 0,900 J / ºC · g. Se on hiukan alempi kuin pallon metalli (0,965 J / ºC · g). Täällä lämpö imeytyy värähtelemään alumiinin metalliatomeja niiden kiteisissä rakenteissaan, ei yksittäisiä molekyylejä, joita molekyylien väliset voimat pitävät yhdessä.

Rauta

Raudan ominaislämpö on 0,444 J / ºC · g. Koska se on vähemmän kuin alumiini, se tarkoittaa, että se tarjoaa vähemmän vastustuskykyä kuumennettaessa; ts. ennen paloa pala rautaa muuttuu punaiseksi paljon aikaisemmin kuin pala alumiinia.

Alumiini on lämmönkestävämpi ja pitää ruoan kuumana pidempään, kun kuuluisaa alumiinifoliota käytetään välipalan käärimiseen.

ilma

Ilman ominaislämpö on noin 1,003 J / ºC · g. Tämä arvo on erittäin alttiina paineille ja lämpötiloille, koska se koostuu kaasumaisesta seoksesta. Täällä lämpö imeytyy värisemään typen, hapen, hiilidioksidin, argonin jne. Molekyylejä.

Hopea

Lopuksi hopean ominaislämpö on 0,234 J / ºC · g. Kaikista mainituista aineista sillä on alhaisin Ce-arvo, mikä tarkoittaa, että jos rauta ja alumiini kohtaavat, pala hopeata kuumenisi paljon enemmän samanaikaisesti kahden muun metallin kanssa. Itse asiassa se harmonisoituu korkean lämmönjohtavuutensa kanssa.

Viitteet

Serway & Jewett. (2008). Fysiikka: tiedettä ja tekniikkaa varten. (Seitsemäs painos), osa 1, Cengage Learning.
Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemia. (Kahdeksas painos). Cengagen oppiminen.
Helmenstine, tohtori Anne Marie (5. marraskuuta 2018). Kemiassa ominainen lämpökapasiteetti. Palautettu osoitteesta: gondo.com
Eric W. Weisstein. (2007). Ominaislämpö. Palautettu osoitteesta: scienceworld.wolfram.com
R Laiva. (2016). Ominaislämpö. Georgian osavaltion yliopisto. Palautettu: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Wikipedia. (2019). Ominaislämpö. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org

OMINAISLÄMPÖ: MISTÄ SE KOOSTUU, KUINKA SE LASKETAAN JA ESIMERKKEJÄ - KEMIA - 2026