Definícia špecifického tepla

Evelyn Maitee Marin
Priemyselný inžinier, MSc z fyziky a EdD

Merné teplo (c) je definované ako množstvo energie potrebnej v závislosti od zvýšenia teploty jednotkovej hmotnosti látky na jednotku teploty. Je tiež známa ako tepelná kapacita alebo merná tepelná kapacita.

Je to fyzikálna veličina, ktorá závisí od skupenstva hmoty, keďže merné teplo látky v kvapalnom skupenstve nie je rovnaké ako merné teplo tej istej látky v plynnom skupenstve. Podobne tlakové a teplotné podmienky, pri ktorých sa materiál nachádza, ovplyvňujú jeho špecifické teplo. V podstate ide o intenzívnu vlastnosť hmoty, ktorá sa vzťahuje na tepelnú kapacitu a látky, pretože poskytuje hodnotu tepelnej citlivosti materiálu na pridanie energie.

Vedel si…? Pojem špecifické teplo vznikol v čase, keď sa odbory mechanická fyzika a termodynamika vyvíjali takmer samostatne; v súčasnosti je však vhodnejší výraz pre špecifické teplo merný prenos energie.

Ak sa horúca káva s rovnakou teplotou naleje do dvoch pohárov: jedného vyrobeného z polystyrénu (anime) a druhého vyrobeného z hliníka a oba poháre držia v rukách, bude mať pocit, že pohár Hliník je na dotyk teplejší ako polystyrén, čo znamená, že do polystyrénového pohára je potrebné pridať viac tepla, aby sa jeho teplota zvýšila ako pri polystyrénovom pohári. hliník.

vzorec špecifického tepla

Ak Q je množstvo energie, ktoré sa vymení medzi látkou s hmotnosťou m a jej okolím, čo spôsobí zmenu teploty ΔT (Tf – Ti), máme:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

kde c je špecifické teplo.

Z tohto výrazu možno odvodiť, že merné jednotky tepla budú:

• V medzinárodnom systéme špecifické teplo c = (J/kg. K)
• V anglickom systéme c = (BTU/lb-m.ºF)
• V iných systémoch je tiež bežné vyjadrovať c = (Cal/g.ºC)

Na druhej strane možno tiež pozorovať, že čím vyššie je špecifické teplo látky, tým je jej teplotný rozdiel nižší pri danom množstve dodanej energie. Z tohto dôvodu, ak chcete materiál, ktorý sa ľahko zahrieva, mali by ste zvoliť taký, ktorý má nízke špecifické teplo.

Poznámka: Je dôležité objasniť, že špecifické teplo sa vzťahuje na množstvo energie zvýšiť teplotu, pričom teplo je osobitnou formou prenosu energie, ale nie iba. Napríklad môžete zvýšiť teplotu látky tým, že na nej budete mechanicky pracovať.

Príklady špecifického tepla v materiáloch

V kontrolovaných laboratórnych podmienkach bolo možné určiť špecifické teplo širokej škály látok, čo umožňuje porovnávanie a výber materiálov podľa aplikácie konkrétne. Nasledujúca tabuľka je vzorkou špecifických teplôt pre niektoré materiály (pri atmosférickom tlaku a 25 °C):
Látka c (J/kg. K) c (cal/g. ºC)
Voda (15 °C) 4186 1
Etylalkohol 2438 0,582
Piesok 780 0,186
Meď 385 0,091
Ľad (-10 °C) 2220 0,530
Kyslík 918 0,219
Peroxid vodíka (H2O2) 2619 0,625
Sklo 792 0,189
Hliník 897 0,214
Drevo 170 0,406
Olivový olej 1675 0,400
Žiaruvzdorná tehla 879 0,210

Poznámka: ako vidno, voda patrí medzi látky s najvyšším špecifickým teplom, čo opäť potvrdzuje význam tejto kvapaliny pre reguláciu teploty našej planéty.

Príklad 1: Koľko energie sa musí preniesť na 2 kg vody, aby sa jej teplota zvýšila z 15 ºC na 90 ºC?

Riešenie: Z predchádzajúcej tabuľky je možné zistiť, že špecifické teplo čistej vody je 1 Cal/g.ºC, takže z tejto hodnoty a poskytnutých údajov možno vymazať energiu Q:

Množstvo tepla je:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

To znamená, že na zvýšenie teploty 2 kg vody (2000 g) z 15ºC na 90ºC je potrebných 150 000 kalórií.

Príklad 2: Aká bude konečná teplota 1 kg hliníkovej tyče, ktorá sa zohreje v Bunsenovom horáku z teploty 25 ºC s použitím energie 4000 joulov?

Riešenie: Z tabuľky merných teplôt je možné zistiť hodnotu tejto premennej pre hliník, kde c = 897 J/kg. K.

V prípade teploty sa 25 ºC prevedie na absolútnu stupnicu Kelvina pridaním 273,15 jednotiek, takže počiatočná teplota tyče je 298,15 K.

Vymazanie konečnej teploty z vyjadrenia špecifického tepla, ktoré máme:

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

Konečná teplota hliníkovej tyče bude 302,61 K alebo 29,46 ºC.

Poznámka: znalosť a interpretácia špecifického tepla látok je veľmi užitočná, keď chcete vybrať najvhodnejší materiál pre určité použitie. Napríklad v automobilovej mechanike mnoho komponentov, ktoré tvoria mechanizmy vozidla, bude vystavený vysokým teplotám, preto je žiaduce, aby sa pri zahrievaní materiál neunavoval ľahkosť.