Ορισμός της ειδικής θερμότητας

Έβελιν Μέιτ Μάριν
Βιομηχανικός Μηχανικός, MSc στη Φυσική, και EdD

Η ειδική θερμότητα (c) ορίζεται ως η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται σύμφωνα με την αύξηση της θερμοκρασίας μιας μονάδας μάζας ουσίας σε μια μονάδα θερμοκρασίας. Είναι επίσης γνωστό ως θερμική χωρητικότητα ή ειδική θερμοχωρητικότητα.

Είναι ένα φυσικό μέγεθος που εξαρτάται από την κατάσταση της ύλης, αφού η ειδική θερμότητα μιας ουσίας σε υγρή κατάσταση δεν είναι ίδια με αυτή της ίδιας ουσίας σε αέρια κατάσταση. Ομοίως, οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας στις οποίες βρίσκεται το υλικό επηρεάζουν την ειδική θερμότητά του. Βασικά, είναι μια έντονη ιδιότητα της ύλης που αναφέρεται στη θερμική ικανότητα του α ουσία, δεδομένου ότι παρέχει μια τιμή της θερμικής ευαισθησίας ενός υλικού στην προσθήκη του ενέργεια.

Το ήξερες…? Ο όρος ειδική θερμότητα προέκυψε την εποχή που οι κλάδοι της Μηχανικής Φυσικής και της Θερμοδυναμικής εξελίχθηκαν σχεδόν ανεξάρτητα. Ωστόσο, επί του παρόντος, ένας καταλληλότερος όρος για ειδική θερμότητα θα ήταν η ειδική μεταφορά ενέργειας.

Εάν χυθεί ζεστός καφές στην ίδια θερμοκρασία σε δύο ποτήρια: το ένα από φελιζόλ (anime) και το άλλο από αλουμίνιο και κρατηθούν και τα δύο ποτήρια στα χέρια, θα γίνει αντιληπτό ότι το ποτήρι Το αλουμίνιο αισθάνεται πιο ζεστό από το φελιζόλ, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζεται να προστεθεί περισσότερη θερμότητα στο κύπελλο από φελιζόλ, έτσι ώστε η θερμοκρασία του να αυξάνεται όπως αυτή του φελιζόλ. αλουμίνιο.

τύπος ειδικής θερμότητας

Αν Q είναι η ποσότητα ενέργειας που ανταλλάσσεται μεταξύ μιας ουσίας μάζας m και του περιβάλλοντός της, προκαλώντας μια διακύμανση θερμοκρασίας ΔT (Tf – Ti), έχουμε:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

όπου c είναι η ειδική θερμότητα.

Από αυτή την έκφραση μπορεί να συναχθεί ότι οι ειδικές μονάδες θερμότητας θα είναι:

• Στο Διεθνές Σύστημα, η ειδική θερμότητα c = (J/kg. Κ)
• Στο αγγλικό σύστημα, c = (BTU/lb-m.ºF)
• Σε άλλα συστήματα, είναι επίσης σύνηθες να εκφράζεται c = (Cal/g.ºC)

Από την άλλη πλευρά, μπορεί επίσης να παρατηρηθεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική θερμότητα μιας ουσίας, τόσο μικρότερη είναι η διακύμανση της θερμοκρασίας της για μια δεδομένη ποσότητα ενέργειας που παρέχεται. Για το λόγο αυτό, αν θέλετε ένα υλικό που ζεσταίνεται εύκολα, θα πρέπει να επιλέξετε ένα που έχει χαμηλή ειδική θερμότητα.

Σημείωση: είναι σημαντικό να διευκρινιστεί ότι η ειδική θερμότητα αναφέρεται στην ποσότητα ενέργειας προς αυξήστε τη θερμοκρασία, καθώς η θερμότητα είναι μια ιδιαίτερη μορφή μεταφοράς ενέργειας, αλλά όχι η μόνο. Για παράδειγμα, μπορείτε να αυξήσετε τη θερμοκρασία μιας ουσίας κάνοντας μηχανικές εργασίες πάνω της.

Παραδείγματα ειδικής θερμότητας σε υλικά

Υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, κατέστη δυνατός ο προσδιορισμός της ειδικής θερμότητας μιας μεγάλης ποικιλίας ουσίες, που επιτρέπει συγκρίσεις και επιλογή υλικών ανάλογα με την εφαρμογή ιδιαιτερος. Ο παρακάτω πίνακας είναι ένα δείγμα των ειδικών θερμοκρασιών για ορισμένα υλικά (σε ατμοσφαιρική πίεση και 25 ºC):
Ουσία c (J/kg. K) c (Cal/g. ºC)
Νερό (15ºC) 4186 1
Αιθυλική αλκοόλη 2438 0,582
Άμμος 780 0,186
Χαλκός 385 0,091
Πάγος (-10 ºC) 2220 0,530
Οξυγόνο 918 0,219
Υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) 2619 0,625
Γυαλί 792 0,189
Αλουμίνιο 897 0,214
Ξύλο 170 0,406
Ελαιόλαδο 1675 0,400
Πυρίμαχο τούβλο 879 0,210

Σημείωση: όπως φαίνεται, το νερό είναι μια από τις ουσίες με την υψηλότερη ειδική θερμότητα, γεγονός που επιβεβαιώνει τη σημασία αυτού του υγρού για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του πλανήτη μας.

Παράδειγμα 1: Πόση ενέργεια πρέπει να μεταφερθεί σε μάζα νερού 2 kg για να αυξηθεί η θερμοκρασία του από 15 ºC σε 90 ºC;

Λύση: Από τον προηγούμενο πίνακα προκύπτει ότι η ειδική θερμότητα του καθαρού νερού είναι 1 Cal/g.ºC, έτσι ώστε από αυτήν την τιμή και τα δεδομένα που παρέχονται, να μπορεί να καθαριστεί η ενέργεια Q:

Η ποσότητα της θερμότητας είναι:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

Αυτό σημαίνει ότι απαιτούνται 150.000 θερμίδες για να αυξηθεί η θερμοκρασία 2 kg νερού (2000 g) από 15ºC σε 90ºC.

Παράδειγμα 2: Ποια θα είναι η τελική θερμοκρασία μιας ράβδου αλουμινίου 1 kg που θερμαίνεται σε καυστήρα Bunsen από θερμοκρασία 25 ºC με εφαρμογή 4000 joules ενέργειας;

Λύση: Από τον πίνακα των ειδικών θερμοτήτων, η τιμή αυτής της μεταβλητής μπορεί να ληφθεί για το αλουμίνιο, όπου c = 897 J/kg. Κ.

Στην περίπτωση της θερμοκρασίας, οι 25 ºC μετατρέπονται σε απόλυτη κλίμακα Kelvin προσθέτοντας 273,15 μονάδες, έτσι ώστε η αρχική θερμοκρασία της ράβδου να είναι 298,15 K.

Καθαρίζοντας την τελική θερμοκρασία από την έκφραση της ειδικής θερμότητας έχουμε:

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

Η τελική θερμοκρασία της ράβδου αλουμινίου θα είναι 302,61 K ή 29,46 ºC.

Σημείωση: η γνώση και η ερμηνεία της ειδικής θερμότητας των ουσιών είναι πολύ χρήσιμη όταν θέλετε να επιλέξετε το καταλληλότερο υλικό για μια συγκεκριμένη χρήση. Για παράδειγμα, στη μηχανική αυτοκινήτων, πολλά από τα εξαρτήματα που συνθέτουν τους μηχανισμούς του οχήματος, θα υποβληθεί σε υψηλές θερμοκρασίες, επομένως είναι επιθυμητό όταν θερμαίνεται το υλικό να μην κουράζεται με ευκολία.