CIEPŁO WŁAŚCIWE: Z CZEGO SIĘ SKŁADA, JAK JEST OBLICZANE I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2025

Ciepło jest ilość energii pochłanianej jednego grama substancji w celu zwiększenia jej temperatury przez jeden stopień Celsjusza. Jest to intensywna właściwość fizyczna, ponieważ nie zależy od masy, ponieważ wyraża się tylko w przypadku jednego grama substancji; jest to jednak związane z liczbą cząstek i ich masą molową, a także związanymi z nimi siłami międzycząsteczkowymi.

Ilość energii pochłoniętej przez substancję wyrażana jest w dżulach (J), rzadziej w kaloriach (Cal). Ogólnie przyjmuje się, że energia jest pochłaniana przez ciepło; jednak energia może pochodzić z innego źródła, takiego jak praca wykonana na substancji (na przykład intensywne mieszanie).

Wrzątek. Źródło: Pixabay

Powyższe zdjęcie przedstawia czajnik, z którego uwalniane są pary wodne powstające w wyniku jego ogrzewania. Aby podgrzać wodę, musi pochłaniać ciepło z płomienia znajdującego się pod czajnikiem. Tak więc w miarę upływu czasu iw zależności od intensywności ognia woda będzie gotować się, gdy osiągnie punkt wrzenia.

Ciepło właściwe określa, ile energii zużywa woda na każdy stopień ºC, w którym wzrasta jej temperatura. Wartość ta jest stała, jeśli w tym samym kotle podgrzewane są różne objętości wody, ponieważ jak powiedziano na początku, jest to właściwość intensywna.

To, co się różni, to całkowita ilość energii pochłanianej przez każdą masę podgrzanej wody, znana również jako pojemność cieplna. Im większa masa podgrzewanej wody (2, 4, 10, 20 litrów), tym większa jej pojemność cieplna; ale jego ciepło właściwe pozostaje takie samo.

Ta właściwość zależy od ciśnienia, temperatury i objętości; jednak dla prostego zrozumienia pomija się odpowiadające im odmiany.

Co to jest ciepło właściwe?

Określono, jakie ciepło właściwe oznaczało dla danej substancji. Jednak jego prawdziwe znaczenie lepiej wyraża formuła, która poprzez jednostki wyjaśnia, jakie są prześwity, jakie obejmuje, gdy analizowane są zmienne, od których zależy. Jego formuła to:

Ce = Q / ΔT m

Gdzie Q jest zaabsorbowanym ciepłem, ΔT zmianą temperatury, a m jest masą substancji; że zgodnie z definicją odpowiada gramowi. Analizując jej jednostki mamy:

Ce = J / ºC · g

Które można również wyrazić w następujący sposób:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Pierwsza z nich jest najprostsza i to właśnie przy jej pomocy przyjrzymy się przykładom w następnych rozdziałach.

Wzór wyraźnie wskazuje ilość energii pochłoniętej (J) przez jeden gram substancji w jednym stopniu ºC. Gdybyśmy chcieli wyczyścić tę ilość energii, musielibyśmy odłożyć na bok równanie J:

J = Ce · ºC · g

Wyrażone w bardziej odpowiedni sposób i zgodnie ze zmiennymi byłoby:

Q = Ce ΔT m

Jak obliczane jest ciepło właściwe?

Woda jako odniesienie

W powyższym wzorze „m” nie reprezentuje grama substancji, ponieważ znajduje się już pośrednio w Ce. Ten wzór jest bardzo przydatny do obliczania ciepła właściwego różnych substancji za pomocą kalorymetrii.

W jaki sposób? Stosując definicję kalorii, czyli ilość energii potrzebnej do podgrzania grama wody z 14,5 do 15,5ºC; to jest równe 4184 J.

Ciepło właściwe wody jest nienormalnie wysokie i ta właściwość służy do pomiaru ciepła właściwego innych substancji, znając wartość 4,184 J.

Co to znaczy, że określone ciepło jest wysokie? Że zapewnia znaczną odporność na wzrost temperatury, więc musi absorbować więcej energii; to znaczy woda wymaga znacznie dłuższego podgrzewania w porównaniu z innymi substancjami, które w pobliżu źródła ciepła nagrzewają się niemal natychmiast.

Z tego powodu woda jest wykorzystywana w pomiarach kalorymetrycznych, ponieważ nie ulega gwałtownym zmianom temperatury przy pochłanianiu energii uwolnionej z reakcji chemicznych; lub, w tym przypadku, od kontaktu z innym cieplejszym materiałem.

Równowaga termiczna

Ponieważ woda musi pochłaniać dużo ciepła, aby podnieść swoją temperaturę, ciepło może pochodzić na przykład z gorącego metalu. Biorąc pod uwagę masy wody i metalu, nastąpi wymiana ciepła między nimi, aż do osiągnięcia tak zwanej równowagi termicznej.

Kiedy to nastąpi, temperatury wody i metalu wyrównują się. Ciepło wydzielane przez gorący metal jest równe temu pochłanianemu przez wodę.

Rozwój matematyczny

Wiedząc o tym i mając ostatnio opisaną formułę Q, mamy:

Q _Woda = -Q _Metal

Znak minus wskazuje, że ciepło jest uwalniane z cieplejszego ciała (metalu) do chłodniejszego ciała (wody). Każda substancja ma swoje własne ciepło właściwe Ce i swoją masę, więc wyrażenie to należy rozwinąć w następujący sposób:

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

Nieznanym jest _metal Ce , ponieważ w równowadze termicznej końcowa temperatura wody i metalu jest taka sama; ponadto znane są początkowe temperatury wody i metalu przed kontaktem, a także ich masy. Dlatego Ce _Metal należy usunąć :

Ce _Metal = (Ce _Woda · ΔT _Woda · m _Woda ) / (-ΔT _Metal · m _Metal )

Nie zapominając, że _woda Ce wynosi 4,184 J / ºC · g. Jeśli rozwinie się ΔT _Woda i ΔT _Metal , otrzymamy odpowiednio (T _f - T _Woda ) i (T _f - T _Metal ). Woda się nagrzewa, a metal stygnie, dlatego znak ujemny mnoży ΔT _Metal, pozostawiając (T _Metal - T _f ). W przeciwnym razie ΔT _Metal miałby wartość ujemną, ponieważ jest T _f mniejszy (zimniejszy) niż T _Metal .

Ostatecznie równanie wyraża się w ten sposób:

Ce _Metal = Ce _Woda · (T _f - T _Woda ) · m _Woda / (T _Metal - T _f ) · m _Metal

A wraz z nim obliczane są określone biegi.

Przykład obliczenia

Jest tam kula z dziwnego metalu, która waży 130g i ma temperaturę 90ºC. Jest zanurzony w 100g pojemniku z wodą o temperaturze 25ºC, wewnątrz kalorymetru. Po osiągnięciu równowagi termicznej temperatura pojemnika osiąga 40 ° C. Oblicz Ce metalu.

Końcowa temperatura, T _f , wynosi 40 ° C. Znając inne dane, Ce można następnie określić bezpośrednio:

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

_Metal Ce = 0,965 J / ºC · g

Należy zauważyć, że ciepło właściwe wody jest około czterokrotnie większe niż ciepła metalu (4,184 / 0,965).

Kiedy Ce jest bardzo małe, tym większa jest jego skłonność do nagrzewania się; co jest związane z jego przewodnością cieplną i dyfuzją. Metal o wyższym Ce będzie miał tendencję do uwalniania lub utraty więcej ciepła, gdy wejdzie w kontakt z innym materiałem, w porównaniu z innym metalem o niższym Ce.

Przykłady

Poniżej przedstawiono poszczególne rodzaje ciepła dla różnych substancji.

woda

Podane ciepło właściwe wody wynosi 4,184 J / ° C · g.

Dzięki tej wartości może uzyskać dużo słońca w oceanie, a woda prawie nie wyparuje w odczuwalnym stopniu. Powoduje to różnicę termiczną, która nie wpływa na życie morskie. Na przykład, kiedy idziesz na plażę, aby popływać, nawet jeśli na zewnątrz jest bardzo słonecznie, woda ma niższą, chłodniejszą temperaturę.

Gorąca woda również potrzebuje dużo energii, aby się ochłodzić. W ten sposób ogrzewa krążące masy powietrza, podnosząc nieco (umiarkowaną) temperaturę w regionach przybrzeżnych podczas zimy.

Innym interesującym przykładem jest to, że gdybyśmy nie byli stworzeni z wody, dzień na słońcu mógłby być śmiertelny, ponieważ temperatura naszego ciała gwałtownie wzrosłaby.

Ta wyjątkowa wartość Ce wynika z międzycząsteczkowych wiązań wodorowych. Pochłaniają ciepło, aby się rozłożyć, więc magazynują energię. Dopóki nie zostaną rozbite, cząsteczki wody nie będą w stanie wibrować, zwiększając średnią energię kinetyczną, co przekłada się na wzrost temperatury.

lód

Ciepło właściwe lodu wynosi 2090 J / ºC · g. Podobnie jak woda ma niezwykle wysoką wartość. Oznacza to, że na przykład góra lodowa musiałaby pochłonąć ogromną ilość ciepła, aby podnieść swoją temperaturę. Jednak niektóre dzisiejsze góry lodowe pochłonęły nawet ciepło potrzebne do stopienia (utajone ciepło topnienia).

Aluminium

Ciepło właściwe aluminium wynosi 0,900 J / ºC · g. Jest nieco niższa niż metal w kuli (0,965 J / ºC · g). Tutaj ciepło jest pochłaniane, aby wprawić w drgania atomy metalu aluminium w ich strukturach krystalicznych, a nie pojedyncze cząsteczki utrzymywane razem przez siły międzycząsteczkowe.

Żelazo

Ciepło właściwe żelaza wynosi 0,444 J / ºC · g. Będąc mniej niż aluminium, oznacza to, że zapewnia mniejszy opór po podgrzaniu; to znaczy, że przed pożarem kawałek żelaza rozgrzeje się do czerwoności znacznie wcześniej niż kawałek aluminium.

Aluminium jest bardziej odporne na nagrzewanie, dłużej utrzymuje ciepło potraw, gdy do zawijania przekąsek używana jest słynna folia aluminiowa.

Powietrze

Ciepło właściwe powietrza wynosi około 1,003 J / ºC · g. Wartość ta podlega silnym naciskom i temperaturom, ponieważ składa się z mieszaniny gazowej. Tutaj ciepło jest pochłaniane, aby wibrować cząsteczki azotu, tlenu, dwutlenku węgla, argonu itp.

Srebro

Wreszcie, ciepło właściwe dla srebra wynosi 0,234 J / ºC · g. Ze wszystkich wymienionych substancji ma najniższą wartość Ce, co oznacza, że ​​w kontakcie z żelazem i aluminium kawałek srebra nagrzewa się znacznie bardziej w tym samym czasie niż pozostałe dwa metale. W rzeczywistości harmonizuje z wysoką przewodnością cieplną.

Bibliografia

1. Serway i Jewett. (2008). Fizyka: dla nauki i techniki. (Wydanie siódme), tom 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chemia. (Wydanie ósme). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 listopada 2018). Specyficzna pojemność cieplna w chemii. Odzyskany z: thinkco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Ciepło właściwe. Odzyskany z: scienceworld.wolfram.com
5. R Ship. (2016). Ciepło właściwe. Georgia State University. Odzyskane z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Ciepło właściwe. Odzyskane z: es.wikipedia.org