ความหมายของความร้อนจำเพาะ

เอเวลิน ไมตี มาริน
วิศวกรอุตสาหการ, ปริญญาโทสาขาฟิสิกส์ และ กศ.ด

ความร้อนจำเพาะ (c) หมายถึงปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของมวลสารหนึ่งหน่วยในหน่วยอุณหภูมิหนึ่งหน่วย เป็นที่รู้จักกันว่าความจุความร้อนหรือความจุความร้อนจำเพาะ

เป็นปริมาณทางกายภาพที่ขึ้นอยู่กับสถานะของสสาร เนื่องจากความร้อนจำเพาะของสารในสถานะของเหลวไม่เหมือนกับความร้อนของสารชนิดเดียวกันในสถานะก๊าซ ในทำนองเดียวกัน สภาวะความดันและอุณหภูมิที่พบวัสดุจะมีอิทธิพลต่อความร้อนจำเพาะของมัน โดยพื้นฐานแล้ว มันเป็นคุณสมบัติเข้มข้นของสสารที่อ้างอิงถึงความจุทางความร้อนของ a สารเนื่องจากให้ค่าความไวต่อความร้อนของวัสดุในการเติม พลังงาน.

เธอรู้รึเปล่า…? คำว่าความร้อนจำเพาะเกิดขึ้นในเวลาที่สาขาของฟิสิกส์เครื่องกลและอุณหพลศาสตร์วิวัฒนาการเกือบจะแยกจากกัน อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน คำที่เหมาะสมกว่าสำหรับความร้อนจำเพาะคือการถ่ายเทพลังงานจำเพาะ

ถ้าเทกาแฟร้อนที่อุณหภูมิเดียวกันลงในแก้วสองใบ แก้วหนึ่งทำจากสไตโรโฟม (อะนิเมะ) และอีกแก้วหนึ่งทำจากอะลูมิเนียมและถือแก้วทั้งสองใบไว้ในมือ จะรับรู้ได้ว่าแก้วของ อลูมิเนียมรู้สึกร้อนกว่าโฟม ซึ่งหมายความว่าต้องเพิ่มความร้อนมากขึ้นในถ้วยสไตโรโฟมเพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับถ้วยสไตโรโฟม อลูมิเนียม

สูตรความร้อนเฉพาะ

ถ้า Q คือปริมาณของพลังงานที่แลกเปลี่ยนระหว่างสสารมวล m กับสิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดการแปรผันของอุณหภูมิ ΔT (Tf – Ti) จะได้:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

โดยที่ c คือความร้อนจำเพาะ

จากนิพจน์นี้สามารถอนุมานได้ว่าหน่วยความร้อนจำเพาะจะเป็น:

• ในระบบสากล ความร้อนจำเพาะ c = (J/kg. เค)
• ในระบบภาษาอังกฤษ c = (BTU/lb-m.ºF)
• ในระบบอื่นๆ เป็นเรื่องปกติที่จะแสดง c = (Cal/g.ºC)

ในทางกลับกัน ยังสังเกตได้ว่ายิ่งความร้อนจำเพาะของสสารสูง การแปรผันของอุณหภูมิตามปริมาณพลังงานที่กำหนดก็จะยิ่งต่ำลง ด้วยเหตุนี้ หากคุณต้องการวัสดุที่ร้อนขึ้นได้ง่าย คุณควรเลือกวัสดุที่มีความร้อนจำเพาะต่ำ

หมายเหตุ: สิ่งสำคัญคือต้องชี้แจงว่าความร้อนจำเพาะหมายถึงปริมาณพลังงานที่ เพิ่มอุณหภูมิ ความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของการถ่ายโอนพลังงาน แต่ไม่ใช่ เท่านั้น. ตัวอย่างเช่น คุณสามารถเพิ่มอุณหภูมิของสารได้โดยการทำงานเชิงกลกับสารนั้น

ตัวอย่างความร้อนจำเพาะในวัสดุ

ภายใต้เงื่อนไขของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุม จะสามารถระบุความร้อนจำเพาะของวัสดุต่างๆ ได้หลากหลาย สารซึ่งช่วยให้สามารถเปรียบเทียบและเลือกวัสดุได้ตามการใช้งาน โดยเฉพาะ. ตารางต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของความร้อนจำเพาะสำหรับวัสดุบางชนิด (ที่ความดันบรรยากาศและ 25 ºC):
สาร c (เจ/กก. K) c (แคลอรี/กรัม. องศาเซลเซียส)
น้ำ (15ºC) 4186 1
เอทิลแอลกอฮอล์ 2438 0.582
ทราย 780 0.186
ทองแดง 385 0.091
น้ำแข็ง (-10 ºC) 2220 0.530
ออกซิเจน 918 0.219
ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) 2619 0.625
แก้ว 792 0.189
อลูมิเนียม 897 0.214
ไม้ 170 0.406
น้ำมันมะกอก 1675 0.400
อิฐทนไฟ 879 0.210

หมายเหตุ: อย่างที่เห็น น้ำเป็นหนึ่งในสสารที่มีความร้อนจำเพาะสูงสุด ซึ่งช่วยย้ำถึงความสำคัญของของเหลวนี้ในการควบคุมอุณหภูมิของโลกของเรา

ตัวอย่างที่ 1: ต้องถ่ายเทพลังงานเท่าใดให้กับน้ำมวล 2 กก. เพื่อเพิ่มอุณหภูมิจาก 15 ºC เป็น 90 ºC?

สารละลาย: จากตารางก่อนหน้านี้สามารถรับได้ว่าความร้อนจำเพาะของน้ำบริสุทธิ์คือ 1 Cal/g.ºC ดังนั้นจากค่านี้และข้อมูลที่ให้มา พลังงาน Q สามารถล้างได้:

ปริมาณความร้อนคือ:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

นี่หมายความว่าต้องใช้ 150,000 แคลอรีในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 2 กิโลกรัม (2000 กรัม) จาก 15ºC เป็น 90ºC

ตัวอย่างที่ 2: อุณหภูมิสุดท้ายของแท่งอลูมิเนียม 1 กก. ที่อุ่นในเตา Bunsen อุณหภูมิ 25 ºC ที่ใช้พลังงาน 4,000 จูลจะเป็นเท่าใด

สารละลาย: จากตารางค่าความร้อนจำเพาะ ค่าของตัวแปรนี้สามารถใช้กับอะลูมิเนียม โดยที่ c = 897 J/kg เค

ในกรณีของอุณหภูมิ 25 ºC จะถูกแปลงเป็นสเกลเคลวินสัมบูรณ์โดยการเพิ่ม 273.15 หน่วย ดังนั้นอุณหภูมิเริ่มต้นของแถบคือ 298.15 K

การล้างอุณหภูมิสุดท้ายจากการแสดงออกของความร้อนจำเพาะที่เรามี:

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

อุณหภูมิสุดท้ายของแถบอลูมิเนียมจะอยู่ที่ 302.61 K หรือ 29.46 ºC

หมายเหตุ: ความรู้และการตีความความร้อนจำเพาะของสารมีประโยชน์มากเมื่อคุณต้องการเลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ในกลศาสตร์ยานยนต์ ส่วนประกอบหลายอย่างที่ประกอบกันเป็นกลไกของยานพาหนะ จะต้องอยู่ภายใต้อุณหภูมิสูงดังนั้นจึงเป็นที่พึงปรารถนาว่าเมื่อได้รับความร้อนวัสดุจะไม่ล้าด้วย ผ่อนปรน.