Opredelitev specifične toplote

Evelyn Maitee Marin
Industrijski inženir, magister fizike in EdD

Specifična toplota (c) je opredeljena kot količina energije, ki je potrebna glede na povečanje temperature enote mase snovi v enoti temperature. Znana je tudi kot toplotna kapaciteta ali specifična toplotna kapaciteta.

Je fizikalna količina, ki je odvisna od agregatnega stanja, saj specifična toplota snovi v tekočem stanju ni enaka specifični toploti iste snovi v plinastem stanju. Prav tako tlak in temperaturni pogoji, pri katerih se nahaja material, vplivajo na njegovo specifično toploto. V bistvu gre za intenzivno lastnost snovi, ki se nanaša na toplotno kapaciteto a snov, saj zagotavlja vrednost toplotne občutljivosti materiala na dodatek energija.

Ali si vedel…? Izraz specifična toplota je nastal v času, ko sta se veji mehanske fizike in termodinamike razvijali skoraj neodvisno; vendar bi bil trenutno bolj primeren izraz za specifično toploto specifični prenos energije.

Če vročo kavo enake temperature nalijemo v dva kozarca: enega iz stiroporja (anime) in drugega iz aluminija in oba kozarca primemo v roke, zaznamo, da je kozarec Aluminij je na otip bolj vroč kot stiropor, kar pomeni, da je treba skodelici iz stiropora dodati več toplote, da se njena temperatura poveča kot temperatura skodelice iz stiropora. aluminij.

formula specifične toplote

Če je Q količina energije, ki se izmenja med snovjo z maso m in njeno okolico, ki povzroči spremembo temperature ΔT (Tf – Ti), imamo:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

kjer je c specifična toplota.

Iz tega izraza je mogoče razbrati, da bodo enote specifične toplote:

• V mednarodnem sistemu je specifična toplota c = (J/kg. K)
• V angleškem sistemu c = (BTU/lb-m.ºF)
• V drugih sistemih je prav tako običajno izraziti c = (Cal/g.ºC)

Po drugi strani pa lahko tudi opazimo, da višja kot je specifična toplota snovi, manjša je njena temperaturna sprememba za določeno količino dovedene energije. Iz tega razloga, če želite material, ki se zlahka segreje, morate izbrati material z nizko specifično toploto.

Opomba: pomembno je pojasniti, da se specifična toplota nanaša na količino energije za zvišanje temperature, pri čemer je toplota posebna oblika prenosa energije, ne pa tudi samo. Na primer, lahko zvišate temperaturo snovi tako, da na njej izvajate mehansko delo.

Primeri specifične toplote v materialih

V nadzorovanih laboratorijskih pogojih je bilo mogoče določiti specifično toploto najrazličnejših snovi, kar omogoča primerjave in izbiro materialov glede na aplikacijo posebno. Naslednja tabela je vzorec specifičnih toplot za nekatere materiale (pri atmosferskem tlaku in 25 ºC):
Snov c (J/kg. K) c (kal/g. ºC)
Voda (15ºC) 4186 1
Etilni alkohol 2438 0,582
Pesek 780 0,186
Baker 385 0,091
Led (-10 ºC) 2220 0,530
Kisik 918 0,219
Vodikov peroksid (H2O2) 2619 0,625
Steklo 792 0,189
Aluminij 897 0,214
Les 170 0,406
Olivno olje 1675 0,400
Ognjevarna opeka 879 0,210

Opomba: kot je razvidno, je voda ena od snovi z največjo specifično toploto, kar ponovno potrjuje pomen te tekočine za uravnavanje temperature našega planeta.

Primer 1: Koliko energije je treba prenesti na 2 kg mase vode, da se njena temperatura poveča s 15 ºC na 90 ºC?

rešitev: Iz prejšnje tabele je mogoče razbrati, da je specifična toplota čiste vode 1 Cal/g.ºC, tako da se iz te vrednosti in navedenih podatkov lahko očisti energija Q:

Količina toplote je:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

To pomeni, da je za dvig temperature 2 kg vode (2000 g) s 15 °C na 90 °C potrebnih 150.000 kalorij.

Primer 2: Kakšna bo končna temperatura 1 kg aluminijaste palice, ki se segreje v Bunsenovem gorilniku s temperature 25 ºC in porabi 4000 joulov energije?

rešitev: Iz tabele specifičnih toplot lahko vzamemo vrednost te spremenljivke za aluminij, kjer je c = 897 J/kg. K.

V primeru temperature se 25 ºC pretvori v absolutno Kelvinovo lestvico z dodajanjem 273,15 enot, tako da je začetna temperatura stolpca 298,15 K.

Če počistimo končno temperaturo iz izraza specifične toplote, imamo:

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

Končna temperatura aluminijaste palice bo 302,61 K ali 29,46 ºC.

Opomba: poznavanje in razlaga specifične toplote snovi je zelo uporabna, ko želite izbrati najprimernejši material za določeno uporabo. Na primer, v avtomobilski mehaniki so številni sestavni deli, ki sestavljajo mehanizme vozila, bo izpostavljen visokim temperaturam, zato je zaželeno, da se material pri segrevanju ne utrudi enostavnost.