KAPACITET TOPLINE: FORMULE, JEDINICE I MJERE - FIZIČKA - 2024

Toplinski kapacitet tijela ili sustava je kvocijent između toplinske energije koja se prenosi u tom tijelu i promjene u temperaturi se doživljava u tom procesu. Druga preciznija definicija je da se odnosi na koliko topline je potrebno prenijeti u tijelo ili sustav tako da se njegova temperatura poveća za jedan stupanj kelvina.

Događa se kontinuirano da najtoplija tijela predaju toplinu hladnijim tijelima u procesu koji traje sve dok postoji razlika u temperaturi između dvaju tijela u dodiru. Zatim je toplina energija koja se prenosi s jednog sustava na drugi jednostavnom činjenicom da postoji razlika u temperaturi između ta dva.

Konvencionalno, pozitivna toplina (Q) definira se kao toplina koju sustav apsorbira, a kao negativna toplina koju prenosi sustav.

Iz navedenog proizlazi da nisu svi predmeti apsorbirali i zadržavali toplinu s istom lakoćom; na taj se način određeni materijali zagrijavaju lakše od drugih.

Treba uzeti u obzir da, u konačnici, toplinski kapacitet tijela ovisi o njegovoj prirodi i sastavu.

Formule, jedinice i mjere

Toplinski kapacitet može se odrediti na osnovu sljedećeg izraza:

C = dQ / dT

Ako je promjena temperature dovoljno mala, prethodni izraz može se pojednostaviti i zamijeniti sljedećim:

C = Q / ΔT

Dakle, jedinica za mjerenje toplinskog kapaciteta u međunarodnom sustavu je Joule po kelvin (J / K).

Kapacitet topline može se mjeriti pri konstantnom tlaku C _p ili konstantnom volumenu C _v.

Određena toplina

Često toplinski kapacitet sustava ovisi o njegovoj količini tvari ili njegovoj masi. U ovom slučaju, kada se sustav sastoji od jedne tvari sa homogenim karakteristikama, potrebna je specifična toplina, koja se također naziva i specifični toplinski kapacitet (c).

Dakle, specifična masa topline je količina topline koja se mora isporučiti jedinici mase tvari da bi se povećala njena temperatura za jedan stupanj kelvina, a može se odrediti počevši od sljedećeg izraza:

c = Q / m ΔT

U ovoj jednadžbi m je masa tvari. Stoga je mjerna jedinica za specifičnu toplinu u ovom slučaju Joule po kilogramu po kelvinu (J / kg K), ili također Joule po gramu po kelvinu (J / g K).

Slično tome, molarna specifična toplina je količina topline koja se mora donijeti molu neke tvari da bi se povećala njena temperatura za jedan stupanj kelvina. A to se može odrediti iz sljedećeg izraza:

U ovom izrazu n je broj molova tvari. To znači da je jedinica za mjerenje specifične topline u ovom slučaju Joule po molu po kelvinu (J / mol K).

Specifična toplina vode

Specifične topline mnogih tvari izračunavaju se i lako su dostupne u tablicama. Vrijednost specifične topline vode u tekućem stanju je 1000 kalorija / kg K = 4186 J / kg K. Naprotiv, specifična toplina vode u plinovitom stanju je 2080 J / kg K, a u čvrstom stanju 2050 J / kg K.

Prijenos topline

Na ovaj način i s obzirom na to da su specifične vrijednosti velike većine tvari već izračunate, moguće je odrediti prijenos topline između dva tijela ili sustava sljedećim izrazima:

Q = cm ΔT

Ili ako se koristi molarna specifična toplina:

Q = cn ΔT

Treba uzeti u obzir da ti izrazi omogućuju određivanje toplinskih tokova pod uvjetom da nema promjene stanja.

U procesima promjene stanja govorimo o latentnoj toplini (L), koja se definira kao energija potrebna količini tvari za promjenu faze ili stanja, bilo iz krute u tekuću (toplina fuzije, L _f) ili od tekuće do plinovite (toplina isparavanja, L _v).

Mora se uzeti u obzir da se takva energija u obliku topline u potpunosti troši u promjeni faze i ne poništava razlike u temperaturi. U takvim su slučajevima izrazi toplinskog toka u procesu isparavanja sljedeći:

Q = L _v m

Ako se koristi specifična molarna toplina: Q = L _v n

U procesu fuzije: Q = L _f m

Ako se koristi molarna specifična toplina: Q = L _f n

Općenito, kao i kod specifične topline, latentno zagrijavanje većine tvari već je izračunato i lako je dostupno u tablicama. Tako, na primjer, u slučaju vode morate:

L _f = 334 kJ / kg (79,7 cal / g) na 0 ° C; L _v = 2257 kJ / kg (539,4 cal / g) pri 100 ° C.

Primjer

U slučaju vode, ako se zagrijava 1 kg mase smrznute vode (led) s temperature od -25 ° C do temperature od 125 ° C (vodena para), toplina koja se troši u procesu izračunava se na sljedeći način:

1. faza

Led od -25 ºC do 0 ºC.

Q = cm ΔT = 2050 1 25 = 51250 J

2. faza

Promjena stanja iz leda u tekuću vodu.

Q = L _f m = 334000 1 = 334000 J

3. faza

Tečna voda od 0 ° C do 100 ° C.

Q = cm ΔT = 4186 1 100 = 418600 J

4. faza

Promjena stanja iz tekuće vode u vodenu paru.

Q = L _v m = 2257000 1 = 2257000 J

5. faza

Vodena para od 100ºC do 125ºC.

Q = cm ΔT = 2080 1 25 = 52000 J

Dakle, ukupni toplinski tok u procesu je zbroj proizvedenog u svakoj od pet faza i rezultira 31112850 J.

Reference

1. Resnik, Halliday & Krane (2002). Fizika svezak 1. Cecsa.
2. Laider, Keith, J. (1993). Oxford University Press, ur. Svijet fizičke kemije.Kapacitet topline. (ND). U Wikipediji. Preuzeto 20. ožujka 2018. s en.wikipedia.org.
3. Latentna toplina. (ND). U Wikipediji. Preuzeto 20. ožujka 2018. s en.wikipedia.org.
4. Clark, John, OE (2004). Osnovni znanstveni rječnik. Barnes & Plemenite knjige.
5. Atkins, P., de Paula, J. (1978/2010). Fizička kemija, (prvo izdanje 1978.), deveto izdanje 2010., Oxford University Press, Oxford UK.