Savitosios šilumos apibrėžimas

Evelyn Maitee Marin
Pramonės inžinierius, fizikos magistras ir EdD

Savitoji šiluma (c) apibrėžiama kaip energijos kiekis, reikalingas pagal medžiagos masės vieneto temperatūros padidėjimą temperatūros vienetu. Jis taip pat žinomas kaip šiluminė talpa arba specifinė šilumos talpa.

Tai fizikinis dydis, priklausantis nuo medžiagos būsenos, nes skystos būsenos medžiagos savitoji šiluma nėra tokia pati kaip tos pačios medžiagos dujinės būsenos. Taip pat slėgio ir temperatūros sąlygos, kurioms esant medžiaga randama, turi įtakos jos specifinei šilumai. Iš esmės tai yra intensyvi materijos savybė, nurodanti a šiluminę talpą medžiaga, nes ji suteikia medžiagos šiluminio jautrumo vertę energijos.

Ar tu žinai…? Savitosios šilumos terminas atsirado tuo metu, kai mechaninės fizikos ir termodinamikos šakos vystėsi beveik nepriklausomai; tačiau šiuo metu tinkamesnis specifinės šilumos terminas būtų specifinis energijos perdavimas.

Jei karšta tos pačios temperatūros kava pilama į dvi stiklines: vieną iš putų polistirolo (anime), o kitą iš aliuminio ir abi taures laikote rankose, bus suvokiama, kad stiklinė Aliuminis jaučiasi karštesnis nei putų polistirolas, o tai reiškia, kad į putų polistirolo puodelį reikia pridėti daugiau šilumos, kad jo temperatūra padidėtų kaip putų polistirolo puodelio. aliuminio.

specifinė šilumos formulė

Jei Q yra energijos kiekis, kuris keičiasi tarp m masės medžiagos ir ją supančios aplinkos, sukeliančios temperatūros pokytį ΔT (Tf – Ti), gauname:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

kur c yra savitoji šiluma.

Iš šios išraiškos galima daryti išvadą, kad specifiniai šilumos vienetai bus:

• Tarptautinėje sistemoje savitoji šiluma c = (J/kg. K)
• Anglų sistemoje c = (BTU/lb-m.ºF)
• Kitose sistemose taip pat įprasta išreikšti c = (Cal/g.ºC)

Kita vertus, taip pat galima pastebėti, kad kuo didesnė medžiagos savitoji šiluma, tuo mažesnis jos temperatūros pokytis tam tikram tiekiamos energijos kiekiui. Dėl šios priežasties, jei norite lengvai įkaistančios medžiagos, rinkitės tokią, kurios savitoji šiluma būtų žema.

Pastaba: svarbu paaiškinti, kad savitoji šiluma reiškia energijos kiekį padidinti temperatūrą, kai šiluma yra tam tikra energijos perdavimo forma, bet ne tik. Pavyzdžiui, galite padidinti medžiagos temperatūrą atlikdami mechaninį darbą.

Specifinės šilumos medžiagose pavyzdžiai

Kontroliuojamomis laboratorinėmis sąlygomis buvo galima nustatyti įvairių rūšių specifinę šilumą medžiagos, leidžiančios palyginti ir pasirinkti medžiagas pagal pritaikymą ypač. Toliau pateiktoje lentelėje pateiktas kai kurių medžiagų specifinio karščio pavyzdys (esant atmosferos slėgiui ir 25 °C temperatūrai):
C medžiaga (J/kg. K) c (kal./g. ºC)
Vanduo (15ºC) 4186 1
Etilo alkoholis 2438 0,582
Smėlis 780 0,186
Varis 385 0,091
Ledas (-10 ºC) 2220 0,530
Deguonis 918 0,219
Vandenilio peroksidas (H2O2) 2619 0,625
Stiklas 792 0,189
Aliuminis 897 0,214
Mediena 170 0,406
Alyvuogių aliejus 1675 0,400
Ugniai atspari plyta 879 0,210

Pastaba: kaip matyti, vanduo yra viena iš didžiausią savitąją šilumą turinčių medžiagų, o tai dar kartą patvirtina šio skysčio svarbą reguliuojant mūsų planetos temperatūrą.

1 pavyzdys: Kiek energijos reikia perduoti 2 kg vandens masės, kad jo temperatūra pakiltų nuo 15 ºC iki 90 ºC?

Sprendimas: Iš ankstesnės lentelės galima gauti, kad gryno vandens savitoji šiluma yra 1 Cal/g.ºC, todėl iš šios vertės ir pateiktų duomenų galima išskaidyti energiją Q:

Šilumos kiekis yra:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

Tai reiškia, kad norint pakelti 2 kg vandens (2000 g) temperatūrą nuo 15 °C iki 90 °C, reikia 150 000 kalorijų.

2 pavyzdys: Kokia bus galutinė 1 kg aliuminio strypo temperatūra, kaitinama Bunseno degikliu nuo 25 ºC, naudojant 4000 džaulių energijos?

Sprendimas: Iš specifinių karščių lentelės šio kintamojo reikšmę galima paimti aliuminiui, kur c = 897 J/kg. K.

Temperatūros atveju 25 ºC paverčiama absoliučia Kelvino skale, pridedant 273,15 vienetų, kad pradinė juostos temperatūra būtų 298,15 K.

Išvalius galutinę temperatūrą iš specifinės šilumos išraiškos, turime:

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

Galutinė aliuminio strypo temperatūra bus 302,61 K arba 29,46 ºC.

Pastaba: specifinės medžiagų šilumos išmanymas ir aiškinimas labai praverčia, kai norima parinkti tinkamiausią medžiagą tam tikram panaudojimui. Pavyzdžiui, automobilių mechanikoje daugelis komponentų, sudarančių transporto priemonės mechanizmus, bus veikiamas aukštų temperatūrų, todėl pageidautina, kad kaitinant medžiaga nepavargtų lengvumas.