SPECIFIČNA TOPLINA: OD ČEGA SE SASTOJI, KAKO SE IZRAČUNAVA I PRIMJERI - KEMIJA

Specifična toplina je količina energije se apsorbira jedan gram tvari povećati temperaturu od jednog stupnjeva Celzija. To je intenzivno fizičko svojstvo, jer ne ovisi o masi, jer je izraženo samo za jedan gram tvari; međutim, to je povezano s brojem čestica i njihovom molarnom masom, kao i međumolekularnim silama koje ih vežu.

Količina energije koju apsorbira tvar izražava se u jedinicama joule (J), a rjeđe, u kalorijama (Cal). Općenito, pretpostavlja se da se energija apsorbira toplinom; međutim, energija može doći iz drugog izvora, poput rada na tvari (na primjer, rigorozno miješanje).

Vrela voda. Izvor: Pixabay

Slika iznad prikazuje čajnik iz kojeg se ispuštaju vodene pare stvorene njegovim zagrijavanjem. Da bi zagrijala vodu, ona mora apsorbirati toplinu iz plamena smještenog pod kotlom. Dakle, kako vrijeme prolazi, a ovisno o intenzitetu požara, voda će ključati kad dosegne svoju ključ.

Specifična toplina utvrđuje koliko energije vode za svaki stupanj ºC povećava njegova temperatura. Ova vrijednost je konstantna ako se u istoj kotliću zagrijavaju različite količine vode, jer kao što je rečeno na početku, to je intenzivno svojstvo.

Ono što varira je ukupna količina energije koju apsorbira svaka masa grijane vode, poznata i kao toplinski kapacitet. Što je veća masa vode za zagrijavanje (2, 4, 10, 20 litara), veći je njezin toplinski kapacitet; ali njegova specifična toplina ostaje ista.

Ovo svojstvo ovisi o tlaku, temperaturi i volumenu; međutim, radi jednostavnog razumijevanja izostavljaju se njihove odgovarajuće varijacije.

Što je specifična toplina?

Definirano je koja specifična toplina znači za određenu tvar. Međutim, njegovo pravo značenje bolje se izražava njegovom formulom, što kroz njegove jedinice jasno pokazuje koja su odstupanja koja uključuje kada se analiziraju varijable o kojima ovisi. Njegova formula je:

Ce = Q / ΔT m

Gdje je Q apsorbirana toplina, ΔT promjena temperature, a m masa tvari; da prema definiciji odgovara gramu. Provodeći analize njegovih jedinica imamo:

Ce = J / ºC · g

Što se također može izraziti na sljedeće načine:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Prvi od njih je najjednostavniji, a to je s kojim ćemo primjerima pristupiti u sljedećim odjeljcima.

Formula izričito označava količinu apsorbirane energije (J) u jednom gramu tvari u jednom stupnju ºC. Ako bismo htjeli očistiti ovu količinu energije, jednadžbu J bismo trebali ostaviti po strani:

J = Ce · ºC · g

To bi se izrazilo na prikladniji način i prema varijablama bilo bi:

Q = Ce ΔT m

Kako se izračunava specifična toplina?

Voda kao referenca

U gornjoj formuli, 'm' ne predstavlja gram tvari, jer se već implicitno nalazi u Ce. Ova je formula vrlo korisna za izračunavanje specifične topline različitih tvari kalorimetrijom.

Kako? Koristeći definiciju kalorija, što je količina energije potrebna za zagrijavanje grama vode od 14,5 do 15,5ºC; to je jednako 4.184 J.

Specifična toplina vode je nenormalno velika, pa se ovo svojstvo koristi za mjerenje specifične topline drugih tvari poznavajući vrijednost 4,184 J.

Što znači za visoku toplinu? Da pruža značajan otpor povećanju svoje temperature, pa mora apsorbirati više energije; to jest, vodu je potrebno zagrijavati mnogo duže u usporedbi s drugim tvarima, koje se u blizini izvora topline zagrijavaju gotovo trenutno.

Zbog toga se voda koristi u kalorimetrijskim mjerenjima, jer ne doživljava nagle promjene temperature pri apsorpciji energije oslobođene kemijskim reakcijama; ili, u ovom slučaju, od kontakta s drugim toplijim materijalom.

Toplinska ravnoteža

Kako voda treba apsorbirati puno topline da bi povećala temperaturu, na primjer, toplina može doći iz vrućeg metala. Uzimajući u obzir mase vode i metala, izmjena topline između njih će se odvijati sve dok se ne postigne ono što se naziva toplinska ravnoteža.

Kad se to dogodi, temperature vode i metala se izjednačavaju. Toplina koju odašilje vrući metal jednaka je toploti koju apsorbira voda.

Matematički razvoj

Znajući to, i sa posljednjom opisanom formulom za Q, imamo:

Q _Voda = -Q _Metal

Negativni znak ukazuje na to da se iz toplijeg tijela (metala) u hladnije tijelo (voda) oslobađa toplina. Svaka tvar ima svoju specifičnu toplinu Ce i svoju masu, pa ovaj izraz treba razviti na sljedeći način:

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

Nepoznato je Ce _Metal, jer je u toplinskoj ravnoteži krajnja temperatura i za vodu i za metal jednaka; pored toga, poznate su početne temperature vode i metala prije kontakta, kao i njihova masa. Stoga se Ce _Metal mora očistiti:

Ce _Metal = (Ce _voda · ΔT _Voda · m _Voda) / (-ΔT _Metal · m _Metal)

Ne zaboravljajući da je Ce _voda 4,184 J / ºC · g. Ako se razvije ΔT _voda i andT _metal, imat ćemo (T _f - T _voda) i (T _f - T _metal). Voda se zagrijava, dok se metal hladi, i zato negativni znak umnožava ΔT _Metal, odlazeći (T _Metal - T _f). U suprotnom bi ΔT _Metal imao negativnu vrijednost jer je T _f manji (hladniji) od T _metala.

Jednadžba se nakon toga konačno izražava na ovaj način:

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

I s njim se izračunavaju specifične topline.

Primjer izračuna

Postoji sfera čudnog metala koja teži 130g, a temperatura je 90ºC. To se uroni u posudu s vodom od 100 g na 25 ° C, unutar kalorimetra. Nakon postizanja toplinske ravnoteže, temperatura spremnika postaje 40 ° C. Izračunajte Ce metala.

Krajnja temperatura, T _f, je 40 ° C. Poznavajući ostale podatke, Ce se zatim može odrediti izravno:

Ce _Metal = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130 g

Ce _Metal = 0,965 J / ºC · g

Imajte na umu da je specifična toplina vode otprilike četiri puta veća od metala (4.184 / 0.965).

Kad je Ce vrlo mali, veća je njegova sklonost zagrijavanju; što je povezano s njegovom toplinskom vodljivošću i difuzijom. Metal s višim Ce će u slučaju dodira s drugim materijalom otpustiti ili izgubiti više topline, u usporedbi s drugim metalom s nižim Ce.

Primjeri

Specifične topline za različite tvari prikazane su u nastavku.

Voda

Specifična toplina vode, kako je navedeno, iznosi 4.184 J / ° C · g.

Zahvaljujući ovoj vrijednosti, može dobiti puno sunca u oceanu i voda teško može ispariti u značajnoj mjeri. To rezultira toplinskom razlikom koja ne utječe na morski život. Na primjer, kad idete na plažu na kupanje, čak i ako je vani jako sunčano, voda osjeća nižu, hladniju temperaturu.

Topla voda također mora osloboditi puno energije da se sama ohladi. U tom procesu zagrijava cirkulirajuće zračne mase, podižući (umjerene) temperature pomalo u obalnim područjima tijekom zime.

Još jedan zanimljiv primjer je da, ako se ne bismo sastojali od vode, dan na suncu mogao bi biti smrtonosan, jer bi se naša tjelesna temperatura brzo povećavala.

Ova jedinstvena vrijednost Ce nastaje zbog intermolekularnih vodikovih veza. Oni apsorbiraju toplinu da se razgrade, tako da pohranjuju energiju. Dok se ne razbiju, molekule vode neće moći vibrirati povećavajući prosječnu kinetičku energiju, što se očituje u povećanju temperature.

Led

Specifična toplina leda je 2.090 J / ºC · g. Poput vode, ona ima neobično visoku vrijednost. To znači da bi, na primjer, ledeni brijeg trebao apsorbirati ogromnu količinu topline da poveća svoju temperaturu. Međutim, neke su ledene brijeg danas čak apsorbirale toplinu potrebnu za topljenje (latentna toplina fuzije).

aluminijum

Specifična toplina aluminija je 0,900 J / ºC · g. Nešto je niži od metala u sferi (0,965 J / ºC · g). Ovdje se apsorbira toplina da vibrira metalne atome aluminija u njihovim kristalnim strukturama, a ne pojedinačne molekule koje međusobno drže intermolekularne sile.

Željezo

Specifična toplina željeza iznosi 0,444 J / ºC · g. Budući da je manji od aluminija, to znači da pruža manji otpor pri zagrijavanju; to jest, prije požara komad željeza će se upaliti mnogo ranije nego komad aluminija.

Aluminij je otporniji na zagrijavanje i duže hrani hranu kada se poznata aluminijska folija koristi za zamatanje grickalica.

Zrak

Specifična toplina zraka iznosi otprilike 1.003 J / ºC · g. Ova vrijednost je podložna pritiscima i temperaturama, jer se sastoji od plinovite smjese. Ovdje se toplina apsorbira kako bi vibrirala molekule dušika, kisika, ugljičnog dioksida, argona, itd.

Srebro

Konačno, specifična toplina srebra je 0,234 J / ºC · g. Od svih navedenih tvari ima najnižu vrijednost Ce.To znači da bi se, kad se suočio sa željezom i aluminijem, komad srebra zagrijavao mnogo više istovremeno s ostala dva metala. U stvari, on se usklađuje sa svojom visokom toplinskom vodljivošću.

Reference

Serway & Jewett. (2008). Fizika: za znanost i inženjerstvo. (Sedmo izdanje), svezak 1, Cengage Learning.
Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemija. (Osmo izdanje). Cengage Learning.
Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (5. studenog 2018.). Specifični kapacitet topline u kemiji. Oporavilo od: misel.com
Eric W. Weisstein. (2007). Određena toplina. Oporavak od: scienceworld.wolfram.com
R Brod. (2016). Određena toplina. Sveučilište Georgia. Oporavak od: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Wikipedia. (2019). Određena toplina. Oporavilo sa: es.wikipedia.org

SPECIFIČNA TOPLINA: OD ČEGA SE SASTOJI, KAKO SE IZRAČUNAVA I PRIMJERI - KEMIJA - 2026