Erisoojuse määratlus

Evelyn Maitee Marin
Tööstusinsener, MSc füüsikas ja EdD

Erisoojus (c) on defineeritud kui energia hulk, mis on vajalik vastavalt aine massiühiku temperatuuri tõusule temperatuuriühikus. Seda tuntakse ka kui soojusmahtuvust või erisoojusvõimsust.

See on füüsikaline suurus, mis sõltub aine olekust, kuna vedelas olekus oleva aine erisoojus ei ole sama, mis sama aine gaasilises olekus. Samuti mõjutavad materjali rõhk ja temperatuur selle erisoojust. Põhimõtteliselt on see aine intensiivne omadus, mis viitab a soojusmahtuvusele aine, kuna see annab materjali lisamise suhtes soojustundlikkuse väärtuse energiat.

Kas sa teadsid…? Mõiste erisoojus tekkis ajal, mil mehaanilise füüsika ja termodünaamika harud arenesid peaaegu iseseisvalt; praegu oleks aga erisoojuse jaoks sobivam termin energia eriülekanne.

Kui sama temperatuuriga kuum kohv valada kahte klaasi: ühte vahtpolüstüroolist (anime) ja teise alumiiniumist ning mõlemat klaasi hoida käes, on tajutav, et klaasi Alumiinium tundub kuumem kui vahtpolüstürool, mis tähendab, et vahtpolüstüroolitassi tuleb lisada rohkem soojust, et selle temperatuur tõuseks nagu vahtpolüstürooltopsi oma. alumiiniumist.

spetsiifiline soojusvalem

Kui Q on energia kogus, mis vahetatakse massiga m aine ja selle ümbruse vahel, põhjustades temperatuurimuutuse ΔT (Tf – Ti), saame:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

kus c on erisoojus.

Sellest avaldisest võib järeldada, et konkreetsed soojusühikud on:

• Rahvusvahelises süsteemis erisoojus c = (J/kg. K)
• Inglise süsteemis c = (BTU/lb-m.ºF)
• Teistes süsteemides on samuti tavaline väljendada c = (Cal/g.ºC)

Teisest küljest võib ka täheldada, et mida suurem on aine erisoojus, seda väiksem on selle temperatuuri kõikumine antud tarnitava energiahulga puhul. Sel põhjusel, kui soovite kergesti kuumenevat materjali, peaksite valima väikese erisoojusega materjali.

Märkus: on oluline selgitada, et erisoojus viitab energiahulgale tõsta temperatuuri, kuna soojus on teatud energiaülekande vorm, kuid mitte ainult. Näiteks saate aine temperatuuri tõsta, tehes sellega mehaanilist tööd.

Näited materjalide erisoojuse kohta

Kontrollitud laboritingimustes on olnud võimalik määrata paljude erinevate soojusallikate erisoojust aineid, mis võimaldab võrrelda ja valida materjale vastavalt rakendusele eriti. Järgmine tabel on näidis teatud materjalide erisoojustest (atmosfäärirõhul ja temperatuuril 25 ºC):
Aine c (J/kg. K) c (kal./g. ºC)
Vesi (15 °C) 4186 1
Etüülalkohol 2438 0,582
Liiv 780 0,186
Vask 385 0,091
Jää (-10 ºC) 2220 0,530
Hapnik 918 0,219
Vesinikperoksiid (H2O2) 2619 0,625
Klaas 792 0,189
Alumiinium 897 0,214
Puit 170 0,406
Oliiviõli 1675 0,400
Tulekindel tellis 879 0,210

Märkus: nagu näha, on vesi üks kõrgeima erisoojusega aineid, mis kinnitab veel kord selle vedeliku tähtsust meie planeedi temperatuuri reguleerimisel.

Näide 1: Kui palju energiat tuleb üle kanda 2 kg vee massile, et selle temperatuur tõuseks 15 ºC-lt 90 ºC-ni?

Lahendus: Eelmisest tabelist võib saada, et puhta vee erisoojus on 1 Cal/g.ºC, nii et selle väärtuse ja esitatud andmete põhjal saab energia Q välja selgitada:

Soojuse kogus on:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

See tähendab, et 2 kg vee (2000 g) temperatuuri tõstmiseks 15ºC-lt 90ºC-le on vaja 150 000 kalorit.

Näide 2: Mis on 1 kg kaaluva alumiiniumvarda lõplik temperatuur, mida kuumutatakse Bunseni põletis temperatuurini 25 ºC, rakendades 4000 džauli energiat?

Lahendus: Erisoojuste tabelist saab selle muutuja väärtuse võtta alumiiniumi puhul, kus c = 897 J/kg. K.

Temperatuuri korral muudetakse 25 ºC absoluutseks Kelvini skaalaks, lisades 273,15 ühikut, nii et varda algtemperatuur on 298,15 K.

Lõpptemperatuuri puhastamine erisoojuse väljendusest on meil:

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

Alumiiniumvarda lõpptemperatuur on 302,61 K ehk 29,46 ºC.

Märkus: ainete erisoojuse tundmine ja tõlgendamine on väga kasulik, kui soovite valida konkreetseks kasutuseks sobivaima materjali. Näiteks automehaanikas on paljud sõiduki mehhanismid moodustavad komponendid, allutatakse kõrgetele temperatuuridele, mistõttu on soovitav, et materjal kuumutamisel ei väsiks kergus.