הגדרה של חום ספציפי

אוולין מייטי מרין
מהנדס תעשיה, MSc בפיזיקה, ו-EDD

החום הסגולי (ג) מוגדר ככמות האנרגיה הנדרשת לפי עליית הטמפרטורה של יחידת מסה של חומר ביחידת טמפרטורה. זה ידוע גם בתור קיבולת תרמית או קיבולת חום ספציפית.

זוהי כמות פיזיקלית שתלויה במצב החומר, שכן החום הסגולי של חומר במצב נוזלי אינו זהה לזה של אותו חומר במצב גז. כמו כן, תנאי הלחץ והטמפרטורה שבהם החומר נמצא משפיעים על החום הסגולי שלו. בעיקרון, מדובר בתכונה אינטנסיבית של חומר המתייחסת ליכולת התרמית של א חומר, שכן הוא מספק ערך של הרגישות התרמית של חומר לתוספת של אֵנֶרְגִיָה.

האם ידעת…? המונח חום סגולי עלה בתקופה שבה ענפי הפיזיקה המכנית והתרמודינמיקה התפתחו כמעט באופן עצמאי; עם זאת, כיום, מונח מתאים יותר לחום ספציפי יהיה העברת אנרגיה ספציפית.

אם מוזגים קפה חם באותה טמפרטורה לשתי כוסות: האחת עשויה מקלקר (אנימה) והשנייה עשויה אלומיניום ושתי הכוסות מוחזקות בידיים, ייתפס כי הכוס של אלומיניום מרגיש חם יותר מקלקר, מה שמרמז שצריך להוסיף יותר חום לכוס הקלקר כדי שהטמפרטורה שלו תעלה כמו זו של כוס הקלקר. אֲלוּמִינְיוּם.

נוסחת חום ספציפי

אם Q היא כמות האנרגיה המוחלפת בין חומר בעל מסה m לבין סביבתו, הגורם לשינוי טמפרטורה ΔT (Tf - Ti), יש לנו:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

כאשר c הוא החום הסגולי.

מביטוי זה ניתן להסיק שיחידות החום הספציפיות יהיו:

• במערכת הבינלאומית, החום הסגולי c = (J/kg. ק)
• במערכת האנגלית, c = (BTU/lb-m.ºF)
• במערכות אחרות, מקובל גם לבטא c = (Cal/g.ºC)

מצד שני, ניתן גם להבחין שככל שהחום הסגולי של חומר גבוה יותר, כך משתנה הטמפרטורה שלו נמוכה יותר עבור כמות נתונה של אנרגיה מסופקת. מסיבה זו, אם אתם רוצים חומר שיתחמם בקלות, כדאי לבחור בחומר בעל חום סגולי נמוך.

הערה: חשוב להבהיר שהחום הספציפי מתייחס לכמות האנרגיה אליו להגדיל את הטמפרטורה, חום הוא צורה מסוימת של העברת אנרגיה, אבל לא את רק. לדוגמה, אתה יכול להעלות את הטמפרטורה של חומר על ידי ביצוע עבודה מכנית עליו.

דוגמאות לחום ספציפי בחומרים

בתנאי מעבדה מבוקרים, ניתן היה לקבוע את החום הספציפי של מגוון רחב של חומרים, המאפשר השוואה ובחירת חומרים בהתאם לאפליקציה מיוחד. הטבלה הבאה היא דוגמה של החום הספציפי עבור חומרים מסוימים (בלחץ אטמוספרי ו-25 מעלות צלזיוס):
חומר c (J/kg. K) c (Cal/g. ºC)
מים (15ºC) 4186 1
אתיל אלכוהול 2438 0.582
חול 780 0.186
נחושת 385 0.091
קרח (-10 ºC) 2220 0.530
חמצן 918 0.219
מי חמצן (H2O2) 2619 0.625
זכוכית 792 0.189
אלומיניום 897 0.214
עץ 170 0.406
שמן זית 1675 0.400
לבנים עקשן 879 0.210

הערה: כפי שניתן לראות, מים הם אחד החומרים בעלי החום הסגולי הגבוה ביותר, מה שמאשר מחדש את חשיבות הנוזל הזה לוויסות הטמפרטורה של הפלנטה שלנו.

דוגמה 1: כמה אנרגיה יש להעביר למסה של 2 ק"ג של מים כדי להעלות את הטמפרטורה שלה מ-15 ºC ל-90 ºC?

פִּתָרוֹן: מהטבלה הקודמת ניתן לקבל שהחום הסגולי של מים טהורים הוא 1 Cal/g.ºC, כך שמערך זה והנתונים שסופקו, ניתן לנקות את האנרגיה Q:

כמות החום היא:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

זה מרמז ש-150,000 קלוריות נדרשות כדי להעלות את הטמפרטורה של 2 ק"ג מים (2000 גרם) מ-15ºC ל-90ºC.

דוגמה 2: מה תהיה הטמפרטורה הסופית של מוט אלומיניום של 1 ק"ג שמחומם במבער בונזן מטמפרטורה של 25ºC תוך הפעלת 4000 ג'אול אנרגיה?

פִּתָרוֹן: מטבלת החום הספציפיים, ניתן לקחת את הערך של משתנה זה עבור אלומיניום, כאשר c = 897 J/kg. ק.

במקרה של טמפרטורה, 25ºC הופכים לסולם קלווין מוחלט על ידי הוספת 273.15 יחידות, כך שהטמפרטורה הראשונית של המוט היא 298.15 K.

ניקוי הטמפרטורה הסופית מביטוי החום הספציפי שיש לנו:

\({T_f} = \frac{Q}{{c \cdot m}} + {T_i} = \frac{{4000\;J}}{{\left( {897\;J/kg \cdot K} \right)\left( {1\;kg} \right)}} + 298.15\;K = 302.61\;K\)

הטמפרטורה הסופית של מוט האלומיניום תהיה 302.61 K או 29.46 ºC.

הערה: ידע ופרשנות של החום הספציפי של חומרים שימושיים מאוד כאשר אתה רוצה לבחור את החומר המתאים ביותר לשימוש מסוים. לדוגמה, במכונאות רכב, רבים מהרכיבים המרכיבים את המנגנונים של הרכב, יהיה נתון לטמפרטורות גבוהות, ולכן רצוי שבחימום החומר לא יתעייף עם קַלוּת.