Definicja ciepła właściwego

Evelyn Maitee Marin
Inżynier przemysłowy, magister fizyki i EdD

Ciepło właściwe (c) definiuje się jako ilość energii potrzebnej do wzrostu temperatury jednostkowej masy substancji w jednostce temperatury. Jest również znany jako pojemność cieplna lub ciepło właściwe.

Jest to wielkość fizyczna zależna od stanu materii, ponieważ ciepło właściwe substancji w stanie ciekłym nie jest takie samo jak ciepło tej samej substancji w stanie gazowym. Podobnie warunki ciśnienia i temperatury, w których znajduje się materiał, wpływają na jego ciepło właściwe. Zasadniczo jest to intensywna właściwość materii, która odnosi się do pojemności cieplnej a substancja, ponieważ zapewnia wartość wrażliwości termicznej materiału na dodanie energia.

Czy wiedziałeś…? Termin ciepło właściwe powstał w czasie, gdy gałęzie fizyki mechanicznej i termodynamiki ewoluowały prawie niezależnie; jednak obecnie bardziej odpowiednim terminem określającym ciepło właściwe byłby właściwy transfer energii.

Jeśli gorącą kawę o tej samej temperaturze naleje się do dwóch szklanek: jednej wykonanej ze styropianu (anime) i drugiej aluminiowej i obie szklanki będą trzymane w dłoniach, zauważymy, że szklanka Aluminium wydaje się cieplejsze niż styropian, co oznacza, że ​​do styropianowego kubka należy dodać więcej ciepła, aby jego temperatura wzrosła jak w przypadku kubka styropianowego. aluminium.

specyficzna formuła ciepła

Jeżeli Q jest ilością energii wymienianej między substancją o masie m a jej otoczeniem, powodującą zmianę temperatury ΔT (Tf – Ti), mamy:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

gdzie c jest ciepłem właściwym.

Z tego wyrażenia można wywnioskować, że jednostkami ciepła właściwego będą:

• W systemie międzynarodowym ciepło właściwe c = (J/kg. k)
• W systemie angielskim c = (BTU/lb-m.ºF)
• W innych systemach często wyraża się również c = (Cal/g.ºC)

Z drugiej strony można również zaobserwować, że im wyższe ciepło właściwe substancji, tym mniejsze wahania jej temperatury dla danej ilości dostarczonej energii. Z tego powodu, jeśli chcesz mieć materiał, który łatwo się nagrzewa, powinieneś wybrać taki, który ma niskie ciepło właściwe.

Uwaga: ważne jest, aby wyjaśnić, że ciepło właściwe odnosi się do ilości energii zwiększyć temperaturę, ciepło jest szczególną formą przekazywania energii, ale nie tylko. Na przykład możesz podnieść temperaturę substancji, wykonując na niej pracę mechaniczną.

Przykłady ciepła właściwego w materiałach

W kontrolowanych warunkach laboratoryjnych możliwe było wyznaczenie ciepła właściwego szerokiej gamy materiałów substancji, co pozwala na porównania i dobór materiałów w zależności od zastosowania konkretny. Poniższa tabela przedstawia przykład ciepła właściwego dla niektórych materiałów (przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze 25°C):
Substancja c (J/kg. K) c (Kal/g. °C)
Woda (15ºC) 4186 1
Alkohol etylowy 2438 0,582
Piasek 780 0,186
Miedź 385 0,091
Lód (-10ºC) 2220 0,530
Tlen 918 0,219
Nadtlenek wodoru (H2O2) 2619 0,625
Szkło 792 0,189
Aluminium 897 0,214
Drewno 170 0,406
Oliwa z oliwek 1675 0,400
Cegła ogniotrwała 879 0,210

Uwaga: jak widać woda jest jedną z substancji o największym cieple właściwym, co potwierdza znaczenie tej cieczy dla regulacji temperatury naszej planety.

Przykład 1: Ile energii należy przekazać wodzie o masie 2 kg, aby podnieść jej temperaturę z 15°C do 90°C?

Rozwiązanie: Z powyższej tabeli wynika, że ​​ciepło właściwe czystej wody wynosi 1 Cal/g.ºC, więc z tej wartości i dostarczonych danych można wyliczyć energię Q:

Ilość ciepła wynosi:

Q = do ∙ m ∙ ∆T

Oznacza to, że potrzeba 150 000 kalorii, aby podnieść temperaturę 2 kg wody (2000 g) z 15ºC do 90ºC.

Przykład 2: Jaka będzie końcowa temperatura pręta aluminiowego o masie 1 kg, który zostanie podgrzany w palniku Bunsena od temperatury 25°C przy użyciu energii 4000 dżuli?

Rozwiązanie: Z tabeli wytopów właściwych można przyjąć wartość tej zmiennej dla aluminium, gdzie c = 897 J/kg. k.

W przypadku temperatury 25 ºC przekształca się w bezwzględną skalę Kelvina, dodając 273,15 jednostek, tak że początkowa temperatura słupka wynosi 298,15 K.

Czyszcząc temperaturę końcową z wyrażenia na ciepło właściwe mamy:

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

Końcowa temperatura pręta aluminiowego wyniesie 302,61 K, czyli 29,46 ºC.

Uwaga: znajomość i interpretacja ciepła właściwego substancji jest bardzo przydatna, gdy chce się wybrać najbardziej odpowiedni materiał do określonego zastosowania. Na przykład w mechanice samochodowej wiele elementów składających się na mechanizmy pojazdu, będzie poddawany działaniu wysokich temperatur, dlatego pożądane jest, aby po podgrzaniu materiał nie męczył się łatwość.