SPECIFICKÉ TEPLO: Z ČEHO SE SKLÁDÁ, JAK SE POČÍTÁ A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Specifické teplo je množství energie, které mají být absorbovány jeden gram látky ke zvýšení jeho teploty o jeden stupeň Celsia. Je to intenzivní fyzikální vlastnost, protože nezávisí na hmotnosti, protože je vyjádřena pouze pro jeden gram látky; to však souvisí s počtem částic a jejich molární hmotností, jakož i s mezimolekulárními silami, které je vážou.

Množství energie absorbované látkou je vyjádřeno v jednotkách joulu (J) a méně často v kaloriích (Cal). Obecně se předpokládá, že energie je absorbována teplem; energie však může pocházet z jiného zdroje, například z práce na látce (například přísné míchání).

Vařící voda. Zdroj: Pixabay

Obrázek nahoře ukazuje rychlovarnou konvici, ze které se uvolňují vodní páry generované jeho zahříváním. K ohřevu vody musí absorbovat teplo z plamene umístěného pod rychlovarnou konvicí. Jak plyne čas, a v závislosti na intenzitě ohně se voda vaří, když dosáhne bodu varu.

Specifické teplo určuje, kolik energie voda spotřebuje pro každý stupeň ºC, když se její teplota zvyšuje. Tato hodnota je konstantní, pokud jsou ve stejné konvici zahřívány různé objemy vody, protože jak bylo řečeno na začátku, jedná se o intenzivní vlastnost.

Co se liší, je celkové množství energie absorbované každou hmotou ohřáté vody, také známé jako tepelná kapacita. Čím větší je množství ohřívané vody (2, 4, 10, 20 litrů), tím větší je jeho tepelná kapacita; ale jeho měrné teplo zůstává stejné.

Tato vlastnost závisí na tlaku, teplotě a objemu; v zájmu jednoduchého porozumění jsou však jejich odpovídající variace vynechány.

Co je to specifické teplo?

Co konkrétní teplo znamenalo pro danou látku bylo definováno. Jeho skutečný význam je však lépe vyjádřen vzorcem, který jasně ukazuje prostřednictvím svých jednotek, které jsou vůlí, které zahrnuje, když jsou analyzovány proměnné, na nichž závisí. Jeho vzorec je:

Ce = Q / AT m

Kde Q je absorbované teplo, ΔT změna teploty am je hmotnost látky; že podle definice odpovídá gramu. Při analýze svých jednotek máme:

Ce = J / ° C · g

Což lze vyjádřit i následujícími způsoby:

Ce = kJ / Kg

Ce = J / ° C · Kg

První z nich je nejjednodušší a s těmito příklady se budeme seznámit v následujících oddílech.

Vzorec výslovně označuje množství energie absorbované (J) jedním gramem látky při jednom stupni ° C. Pokud bychom chtěli vyčistit toto množství energie, museli bychom nechat rovnici J stranou:

J = Ce · ° C · g

To by bylo vyjádřeno vhodnějším způsobem a podle proměnných:

Q = Ce ΔT m

Jak se počítá měrné teplo?

Voda jako reference

Ve výše uvedeném vzorci „m“ nepředstavuje gram látky, protože se již implicitně nachází v Ce. Tento vzorec je velmi užitečný pro výpočet specifických teplot různých látek pomocí kalorimetrie.

Jak? Podle definice kalorií, což je množství energie potřebné k ohřevu gramu vody ze 14,5 na 15,5 ° C; to se rovná 4 184 J.

Měrné teplo vody je neobvykle vysoké a tato vlastnost se používá k měření měrných teplot jiných látek známých v hodnotě 4,184 J.

Co to znamená, že určité teplo je vysoké? To, že nabízí značný odpor ke zvýšení teploty, musí absorbovat více energie; to znamená, že voda musí být ohřívána mnohem déle ve srovnání s jinými látkami, které se v blízkosti zdroje tepla zahřívají téměř okamžitě.

Z tohoto důvodu se voda používá při kalorimetrických měřeních, protože při absorpci energie uvolněné z chemických reakcí nedochází k náhlým změnám teploty; nebo v tomto případě z kontaktu s jiným horkým materiálem.

Tepelná rovnováha

Protože voda potřebuje absorbovat velké množství tepla, aby zvýšila svou teplotu, může teplo pocházet například z horkého kovu. Při zohlednění množství vody a kovu bude mezi nimi probíhat tepelná výměna, dokud nebude dosaženo tzv. Tepelné rovnováhy.

Pokud k tomu dojde, vyrovná se teplota vody a kovu. Teplo uvolňované horkým kovem je stejné jako teplo absorbované vodou.

Matematický vývoj

Když to víme, a s posledním vzorcem pro Q, který jsme právě popsali, máme:

Q _Water = -Q _Metal

Záporné znaménko znamená, že se teplo uvolňuje z teplejšího tělesa (kov) do chladicího tělesa (voda). Každá látka má svůj vlastní specifický teplo Ce a svou hmotnost, takže tento výraz musí být vyvinut takto:

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

Neznámý je Ce _Metal, protože v tepelné rovnováze je konečná teplota vody i kovu stejná; Kromě toho jsou před kontaktem známé počáteční teploty vody a kovu, jakož i jejich hmotnosti. Proto musí být Ce _Metal vyčištěn:

Ce _Metal = (Ce _voda · ΔT _voda · m _voda) / (-AT _Metal · m _kov)

Aniž bychom zapomněli, že Ce _Water je 4.184 J / ° C · g. Pokud se vyvine ΔT _Water a ΔT _Metal, budeme mít (_Tf - T _Water) a (_Tf - T _Metal). Voda se zahřívá, zatímco kov vychladne, a proto záporné znaménko znásobuje ΔT _{Metal a} odchází (T _Metal - T _f). Jinak by ΔT _Metal měl zápornou hodnotu, protože je _Tf menší (chladnější) než T _Metal.

Rovnice je pak konečně vyjádřena tímto způsobem:

Ce _Metal = Ce _Voda · (_Tf - T _Voda) · m _Voda / (T _Metal - _Tf) · m _Kov

A s tím se vypočítávají specifické teploty.

Příklad výpočtu

Existuje koule z podivného kovu, který váží 130 g a má teplotu 90 ° C. Toto je ponořeno do 100 g nádoby s vodou o teplotě 25 ° C, uvnitř kalorimetru. Po dosažení tepelné rovnováhy se teplota nádoby zvýší na 40 ° C. Vypočítejte Ce kovu.

Konečná teplota _Tf je 40 ° C. Známe-li další data, lze Ce určit přímo:

Ce _Metal = (4 184 J / ° C · g · (40 - 25) ° C · 100 g) / (90 - 40) ° C · 130 g

Ce _Metal = 0,965 J / ° C · g

Mějte na paměti, že měrné teplo vody je asi čtyřikrát větší než teplo kovu (4.184 / 0.965).

Když je Ce velmi malý, tím větší je jeho tendence k zahřívání; což souvisí s jeho tepelnou vodivostí a difúzí. Kov s vyšším Ce bude mít tendenci uvolňovat nebo ztrácet více tepla, když přijde do kontaktu s jiným materiálem, ve srovnání s jiným kovem s nižším Ce.

Příklady

Specifické teploty pro různé látky jsou uvedeny níže.

Voda

Specifické teplo vody, jak je uvedeno, je 4,184 J / ° C · g.

Díky této hodnotě může v oceánu dostat hodně slunce a voda se do značné míry nevypaří. To má za následek tepelný rozdíl, který neovlivňuje mořský život. Například když jdete na pláž plavat, i když je venku velmi slunečno, voda cítí nižší, chladnější teplotu.

Horká voda také potřebuje uvolnit hodně energie, aby se ochladila. Přitom zahřívá masy cirkulujícího vzduchu a během zimy poněkud zvyšuje (mírné) teploty v pobřežních oblastech.

Dalším zajímavým příkladem je, že kdybychom nebyli vyrobeni z vody, mohl by být den na slunci smrtící, protože by se naše tělesné teploty rychle zvyšovaly.

Tato jedinečná hodnota Ce je způsobena intermolekulárními vodíkovými vazbami. Tyto absorbují teplo a rozkládají se, takže ukládají energii. Dokud nejsou zlomeny, molekuly vody nebudou schopny vibrovat zvyšující se průměrnou kinetickou energii, což se odráží ve zvýšení teploty.

Led

Specifické teplo ledu je 2 090 J / ° C · g. Stejně jako voda má i neobvykle vysokou hodnotu. To například znamená, že ledovec by například musel absorbovat obrovské množství tepla, aby se zvýšila jeho teplota. Některé ledovce však dnes dokonce absorbovaly teplo potřebné k roztavení (latentní teplo fúze).

Hliník

Měrné teplo hliníku je 0,900 J / ° C · g. Je o něco nižší než kov v kouli (0,965 J / ºC · g). Zde je teplo absorbováno, aby vibroval atomy kovu hliníku v jejich krystalických strukturách, a ne jednotlivé molekuly držené pohromadě mezimolekulárními silami.

Žehlička

Měrné teplo železa je 0,444 J / ° C · g. Být méně než hliník znamená, že při zahřívání nabízí menší odpor; to znamená, že před ohněm bude kus železa zčervenat mnohem dříve než kus hliníku.

Hliník je odolnější vůči zahřívání a udržuje jídlo horké déle, když se slavná hliníková fólie používá k balení lehkého občerstvení.

Vzduch

Měrné teplo vzduchu je přibližně 1,003 J / ° C · g. Tato hodnota je vysoce vystavena tlakům a teplotám, protože se skládá z plynné směsi. Zde se teplo absorbuje, aby vibroval molekuly dusíku, kyslíku, oxidu uhličitého, argonu atd.

stříbrný

Konečně měrné teplo pro stříbro je 0,234 J / ° C · g. Ze všech uvedených látek má nejnižší hodnotu Ce, což znamená, že když se potká železo a hliník, kus stříbra by se zahřál mnohem více současně s ostatními dvěma kovy. Ve skutečnosti harmonizuje s vysokou tepelnou vodivostí.

Reference

1. Serway & Jewett. (2008). Fyzika: pro vědu a strojírenství. (Sedmé vydání), svazek 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chemie. (Osmé vydání). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5. listopadu 2018). Specifická tepelná kapacita v chemii. Obnoveno z: thinkco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Měrné teplo. Obnoveno z: scienceworld.wolfram.com
5. R Loď. (2016). Měrné teplo. Státní univerzita v Georgii. Obnoveno z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Měrné teplo. Obnoveno z: es.wikipedia.org