Визначення питомої теплоємності

Евелін Мейті Марін
Промисловий інженер, магістр фізики та освіта

Питома теплоємність (c) визначається як кількість енергії, необхідна відповідно до підвищення температури одиниці маси речовини в одиницю температури. Він також відомий як теплоємність або питома теплоємність.

Це фізична величина, яка залежить від агрегатного стану, оскільки питома теплоємність речовини в рідкому стані не збігається з питомою теплоємністю тієї ж речовини в газоподібному стані. Так само тиск і температура, при яких знаходиться матеріал, впливають на його питому теплоємність. По суті, це інтенсивна властивість речовини, яка відноситься до теплоємності a речовини, оскільки він забезпечує значення термічної чутливості матеріалу до додавання енергії.

Ти знав…? Термін теплоємність виник у той час, коли розділи механічної фізики і термодинаміки розвивалися майже незалежно; однак на даний момент більш відповідним терміном для питомої теплоти буде питома передача енергії.

Якщо гарячу каву однакової температури налити в дві склянки: одну з пінополістиролу (аніме), а іншу з алюмінію, і обидві склянки потримати в руках, то буде здаватися, що склянка з Алюміній здається гарячішим, ніж пінополістирол, а це означає, що до чашки з пінополістиролу потрібно додати більше тепла, щоб її температура підвищувалася так само, як і чашка з пінополістиролу. алюміній.

формула питомої теплоємності

Якщо Q – це кількість енергії, яка обмінюється між речовиною масою m та її оточенням, що спричиняє зміну температури ΔT (Tf – Ti), ми маємо:

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

де с – питома теплоємність.

З цього виразу можна зробити висновок, що одиниці питомої теплоти будуть:

• У Міжнародній системі питома теплоємність c = (Дж/кг. К)
• В англійській системі c = (BTU/lb-m.ºF)
• В інших системах також прийнято виражати c = (Кал/г.ºC)

З іншого боку, також можна помітити, що чим вища питома теплоємність речовини, тим менша зміна її температури для даної кількості підведеної енергії. З цієї причини, якщо вам потрібен матеріал, який легко нагрівається, вам слід вибрати такий, який має низьку питому теплоємність.

Примітка: важливо пояснити, що питома теплоємність відноситься до кількості енергії підвищення температури, тепло є особливою формою передачі енергії, але не тільки. Наприклад, можна підвищити температуру речовини, виконавши над нею механічну роботу.

Приклади питомої теплоємності матеріалів

У контрольованих лабораторних умовах вдалося визначити питому теплоємність широкого спектру речовин, що дозволяє порівнювати та підбирати матеріали відповідно до застосування зокрема. У наведеній нижче таблиці наведено зразок питомої теплоємності для деяких матеріалів (за атмосферного тиску та 25 ºC):
Речовина c (Дж/кг. K) c (Кал/г. ºC)
Вода (15ºC) 4186 1
Спирт етиловий 2438 0,582
Пісок 780 0,186
Мідь 385 0,091
Лід (-10 ºC) 2220 0,530
Кисень 918 0,219
Перекис водню (H2O2) 2619 0,625
Скло 792 0,189
Алюміній 897 0,214
Деревина 170 0,406
Оливкова олія 1675 0,400
Цегла вогнетривка 879 0,210

Примітка: як видно, вода є однією з речовин з найвищою питомою теплоємністю, що ще раз підтверджує важливість цієї рідини для регулювання температури нашої планети.

Приклад 1: Скільки енергії необхідно передати воді масою 2 кг, щоб підвищити її температуру з 15 ºC до 90 ºC?

Рішення: З попередньої таблиці можна отримати, що питома теплоємність чистої води становить 1 кал/г.ºC, так що з цього значення та наданих даних можна вирахувати енергію Q:

Кількість теплоти становить:

Q = c ∙ m ∙ ∆T

Це означає, що для підвищення температури 2 кг води (2000 г) з 15ºC до 90ºC потрібно 150 000 калорій.

Приклад 2: Якою буде кінцева температура алюмінієвого бруска вагою 1 кг, який нагрівають у пальнику Бунзена до температури 25 ºC, витрачаючи 4000 джоулів енергії?

Рішення: З таблиці питомої теплоємності можна взяти значення цієї змінної для алюмінію, де c = 897 Дж/кг. К.

У випадку температури 25 ºC перетворюється на абсолютну шкалу Кельвіна шляхом додавання 273,15 одиниць, так що початкова температура стовпчика становить 298,15 K.

Очистивши кінцеву температуру від виразу питомої теплоємності, ми маємо:

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

Кінцева температура алюмінієвого бруска буде 302,61 K або 29,46 ºC.

Примітка: знання та інтерпретація питомої теплоємності речовин дуже корисні, коли ви хочете вибрати найбільш підходящий матеріал для певного використання. Наприклад, в автомобільній механіці багато компонентів, що складають механізми автомобіля, буде піддаватися високим температурам, тому бажано, щоб при нагріванні матеріал не втомлювався легкість.