Определение за специфична топлина

Евелин Майте Марин
Индустриален инженер, магистър по физика и EdD

Специфичната топлина (c) се определя като количеството енергия, необходимо в зависимост от повишаването на температурата на единица маса вещество в единица температура. Известен е още като термичен капацитет или специфичен топлинен капацитет.

Това е физична величина, която зависи от състоянието на материята, тъй като специфичната топлина на вещество в течно състояние не е същата като тази на същото вещество в газообразно състояние. По същия начин условията на налягане и температура, при които се намира материалът, влияят върху неговата специфична топлина. По принцип това е интензивно свойство на материята, което се отнася до топлинния капацитет на a вещество, тъй като осигурява стойност на термичната чувствителност на даден материал към добавянето на енергия.

Знаеше ли…? Терминът специфична топлина възниква по времето, когато клоновете на механичната физика и термодинамиката се развиват почти независимо; понастоящем обаче по-подходящ термин за специфична топлина би бил специфичен енергиен трансфер.

Ако горещо кафе с еднаква температура се налее в две чаши: едната от стиропор (аниме), а другата от алуминий и двете чаши се държат в ръце, ще се усети, че чашата на Алуминият се усеща по-горещ от стиропор, което означава, че трябва да се добави повече топлина към чашата от стиропор, така че температурата му да се повиши като тази на чашата от стиропор. алуминий.

специфична топлинна формула

Ако Q е количеството енергия, обменено между вещество с маса m и заобикалящата го среда, причинявайки температурна промяна ΔT (Tf – Ti), имаме:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

където c е специфичната топлина.

От този израз може да се заключи, че специфичните топлинни единици ще бъдат:

• В Международната система специфичната топлина c = (J/kg. К)
• В английската система c = (BTU/lb-m.ºF)
• В други системи също е обичайно да се изразява c = (Cal/g.ºC)

От друга страна, може също да се наблюдава, че колкото по-висока е специфичната топлина на дадено вещество, толкова по-ниска е температурната му промяна за дадено количество доставена енергия. Поради тази причина, ако искате материал, който се нагрява лесно, трябва да изберете такъв с ниска специфична топлина.

Забележка: важно е да се изясни, че специфичната топлина се отнася до количеството енергия за повишаване на температурата, топлината е особена форма на пренос на енергия, но не и само. Например, можете да увеличите температурата на дадено вещество, като извършите механична работа върху него.

Примери за специфична топлина в материали

При контролирани лабораторни условия е възможно да се определи специфичната топлина на голямо разнообразие от вещества, което позволява сравнения и избор на материали според приложението конкретно. Следващата таблица е извадка от специфичните топлина за някои материали (при атмосферно налягане и 25 ºC):
Вещество c (J/kg. K) c (Cal/g. ºC)
Вода (15ºC) 4186 1
Етилов алкохол 2438 0,582
Пясък 780 0,186
Мед 385 0,091
Лед (-10 ºC) 2220 0,530
Кислород 918 0,219
Водороден пероксид (H2O2) 2619 0,625
Стъкло 792 0,189
Алуминий 897 0,214
Дърво 170 0,406
Зехтин 1675 0,400
Тухла огнеупорна 879 0.210

Забележка: както се вижда, водата е едно от веществата с най-висока специфична топлина, което отново потвърждава значението на тази течност за регулиране на температурата на нашата планета.

Пример 1: Колко енергия трябва да се предаде на маса от 2 kg вода, за да се повиши температурата й от 15 ºC на 90 ºC?

Решение: От предишната таблица може да се получи, че специфичната топлина на чистата вода е 1 Cal/g.ºC, така че от тази стойност и предоставените данни енергията Q може да бъде изчистена:

Количеството топлина е:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

Това означава, че са необходими 150 000 калории, за да се повиши температурата на 2 kg вода (2000 g) от 15ºC на 90ºC.

Пример 2: Каква ще бъде крайната температура на алуминиева пръчка от 1 kg, която се нагрява в горелка на Бунзен от температура 25 ºC, прилагайки 4000 джаула енергия?

Решение: От таблицата на специфичните топлина, стойността на тази променлива може да се вземе за алуминий, където c = 897 J/kg. К.

В случай на температура, 25 ºC се трансформира в абсолютна скала на Келвин чрез добавяне на 273,15 единици, така че началната температура на стълба е 298,15 K.

Изчистване на крайната температура от израза на специфичната топлина, която имаме:

\({T_f} = \frac{Q}{{c \cdot m}} + {T_i} = \frac{{4000\;J}}{{\left( {897\;J/kg \cdot K} \right)\left( {1\;kg} \right)}} + 298,15\;K = 302,61\;K\)

Крайната температура на алуминиевата лента ще бъде 302,61 K или 29,46 ºC.

Забележка: познаването и тълкуването на специфичната топлина на веществата е много полезно, когато искате да изберете най-подходящия материал за определена употреба. Например в автомобилната механика много от компонентите, които изграждат механизмите на превозното средство, ще бъдат подложени на високи температури, така че е желателно при нагряване материалът да не се уморява с лекота.