MERNÉ TEPLO: Z ČOHO POZOSTÁVA, AKO SA POČÍTA A PRÍKLADY - CHÉMIA

Špecifické teplo je množstvo energie, ktoré majú byť absorbované jeden gram látky na zvýšenie jeho teploty o jeden stupeň Celzia. Je to intenzívna fyzikálna vlastnosť, pretože nezávisí od hmotnosti, pretože je vyjadrená iba pre jeden gram látky; súvisí to však s počtom častíc a ich molárnou hmotnosťou, ako aj s medzimolekulovými silami, ktoré ich viažu.

Množstvo energie absorbovanej látkou je vyjadrené v jednotkách joulu (J) a menej často v kalóriách (Cal). Všeobecne sa predpokladá, že energia je absorbovaná teplom; energia však môže pochádzať z iného zdroja, napríklad z práce na látke (napríklad dôsledné miešanie).

Vriaca voda. Zdroj: Pixabay

Obrázok hore zobrazuje kanvicu, z ktorej sa uvoľňujú vodné pary generované jej zahrievaním. Na ohrev vody musí absorbovať teplo z plameňa umiestneného pod kanvicou. Tak, ako čas plynie a v závislosti od intenzity ohňa sa voda uvarí, keď dosiahne bod varu.

Merné teplo určuje, koľko energie voda spotrebuje na každý stupeň ºC, keď sa jej teplota zvyšuje. Táto hodnota je konštantná, ak sa v tej istej kanvici ohrievajú rôzne objemy vody, pretože, ako už bolo uvedené na začiatku, ide o intenzívnu vlastnosť.

To, čo sa mení, je celkové množstvo energie absorbovanej každou hmotou zahriatej vody, tiež známe ako tepelná kapacita. Čím väčšia je hmotnosť ohriatej vody (2, 4, 10, 20 litrov), tým väčšia je jej tepelná kapacita; ale jeho špecifické teplo zostáva rovnaké.

Táto vlastnosť závisí od tlaku, teploty a objemu; v záujme jednoduchého porozumenia sú však ich príslušné variácie vynechané.

Čo je to špecifické teplo?

Čo konkrétne teplo pre danú látku bolo definované. Jeho skutočný význam je však lepšie vyjadrený pomocou jeho vzorca, ktorý objasňuje prostredníctvom svojich jednotiek, ktoré sú vôľami, ktoré zahŕňa pri analýze premenných, od ktorých závisí. Jeho vzorec je:

Ce = Q / AT m

Ak Q je absorbované teplo, ΔT zmena teploty am je hmotnosť látky; ktorý podľa definície zodpovedá gramu. Pri analýze svojich jednotiek máme:

Ce = J / ° C · g

Ktoré možno vyjadriť aj nasledujúcimi spôsobmi:

Ce = kJ / Kg

Ce = J / ° C · kg

Prvý z nich je najjednoduchší a s týmito príkladmi sa budeme zaoberať v nasledujúcich častiach.

Vzorec výslovne uvádza množstvo absorbovanej energie (J) jedným gramom látky pri jednom stupni ° C. Keby sme chceli vyčistiť toto množstvo energie, museli by sme rovnicu J opustiť:

J = Ce · ° C. G

Vhodnejším spôsobom a podľa premenných by to bolo:

Q = Ce ΔT m

Ako sa počíta špecifické teplo?

Voda ako referencia

Vo vyššie uvedenom vzorci „m“ nepredstavuje gram látky, pretože sa už implicitne nachádza v Ce. Tento vzorec je veľmi užitočný na výpočet špecifických teplôt rôznych látok pomocou kalorimetrie.

Ako? S použitím definície kalórií, čo je množstvo energie potrebnej na zohriatie gramu vody zo 14,5 na 15,5 ° C; to sa rovná 4 184 J.

Merné teplo vody je neobvykle vysoké a táto vlastnosť sa používa na meranie špecifických teplôt iných látok, ktoré majú hodnotu 4,184 J.

Čo to znamená pre špecifické teplo? To, že ponúka značnú odolnosť na zvýšenie teploty, musí absorbovať viac energie; to znamená, že voda sa musí ohrievať oveľa dlhšie v porovnaní s inými látkami, ktoré sa v blízkosti zdroja tepla zahrievajú takmer okamžite.

Z tohto dôvodu sa voda používa na kalorimetrické merania, pretože pri absorpcii energie uvoľňovanej chemickými reakciami nedochádza k náhlym zmenám teploty; alebo v tomto prípade z kontaktu s iným horúcim materiálom.

Tepelná rovnováha

Pretože voda potrebuje absorbovať veľa tepla, aby zvýšila svoju teplotu, teplo môže pochádzať napríklad z horúceho kovu. Ak vezmeme do úvahy množstvo vody a kovu, medzi nimi dôjde k výmene tepla, až kým sa nedosiahne takzvaná tepelná rovnováha.

Ak k tomu dôjde, teplota vody a kovu sa vyrovná. Teplo odovzdávané horúcim kovom je rovnaké ako teplo absorbované vodou.

Matematický vývoj

S týmto vedomím as posledným vzorcom pre Q, ktorý sme práve opísali, máme:

Q _Voda = -Q _Kov

Záporné znamenie znamená, že teplo sa uvoľňuje z teplejšieho telesa (kov) do telesa chladiča (voda). Každá látka má svoj vlastný špecifický teplo Ce a svoju hmotnosť, takže tento výraz sa musí rozvíjať takto:

Q _Voda = Ce _Voda · ΔT _Voda · m _Voda = - (Ce _Metal · ΔT _Metal · m _Metal )

Neznámy je Ce _Metal , pretože v tepelnej rovnováhe je konečná teplota vody aj kovu rovnaká; okrem toho sú známe počiatočné teploty vody a kovu pred kontaktom, ako aj ich hmotnosti. Preto musí byť Ce _Metal vyčistený :

Ce _Metal = (Ce _voda · ΔT _voda · m _voda ) / (-AT _kov · m _kov )

Bez toho, aby ste zabudli na to, že _voda Ce je 4,84 J / ° C · g. Ak sa vyvinie ΔT _voda a ΔT _kov , budeme mať ( _Tf - T _voda ) a ( _Tf - T _kov ). Voda sa zahrieva, zatiaľ čo sa kov ochladzuje, a preto záporné znamienko znásobuje ΔT _{Metal a} odchádza (T _Metal - T _f ). Inak by ΔT _Metal mal zápornú hodnotu, pretože je _Tf menší (chladnejší) ako T _Metal .

Rovnica sa potom konečne vyjadrí takto:

Ce _Metal = Ce _Voda · ( _Tf - T _Voda ) · m _Voda / (T _Metal - _Tf ) · m _Kov

A s tým sa vypočítajú špecifické zahrievania.

Príklad výpočtu

Existuje guľa z podivného kovu, ktorá váži 130 g a má teplotu 90 ° C. Ponorí sa do 100 g nádoby s vodou pri 25 ° C, vnútri kalorimetra. Po dosiahnutí tepelnej rovnováhy sa teplota nádoby zmení na 40 ° C. Vypočítajte Ce kovu.

Konečná teplota _Tf je 40 ° C. Po znalosti ďalších údajov možno Ce priamo určiť:

Ce _Metal = (4 184 J / ° C · g · (40 - 25) ° C · 100 g) / (90 - 40) ° C · 130 g

Ce _Metal = 0,965 J / ° C · g

Majte na pamäti, že merné teplo vody je približne štvornásobné oproti kovu (4.184 / 0.965).

Ak je Ce veľmi malý, tým väčšia je jeho tendencia k zahrievaniu; čo súvisí s jeho tepelnou vodivosťou a difúziou. Kov s vyšším Ce má tendenciu uvoľňovať alebo strácať viac tepla, keď príde do kontaktu s iným materiálom, v porovnaní s iným kovom s nižším Ce.

Príklady

Konkrétne zahrievania pre rôzne látky sú uvedené nižšie.

voda

Špecifické teplo vody, ako je uvedené, je 4,184 J / ° C · g.

Vďaka tejto hodnote môže v oceáne dostať veľa slnka a voda sa do značnej miery ťažko odparí. To vedie k tepelným rozdielom, ktoré neovplyvňujú morský život. Napríklad, keď idete na pláž plávať, aj keď je vonku veľmi slnečné, voda má nižšiu teplotu.

Horúca voda musí tiež uvoľňovať veľa energie, aby sa ochladila. Pritom ohrieva hmoty cirkulujúceho vzduchu a počas zimy mierne zvyšuje (mierne) teploty v pobrežných oblastiach.

Ďalším zaujímavým príkladom je, že keby sme neboli z vody, deň na slnku by mohol byť smrteľný, pretože teplota nášho tela by rýchlo stúpla.

Táto jedinečná hodnota Ce je spôsobená intermolekulárnymi vodíkovými väzbami. Tieto absorbujú teplo a rozkladajú sa, takže ukladajú energiu. Kým sa nerozbijú, molekuly vody nebudú schopné vibrovať zvyšovaním priemernej kinetickej energie, čo sa prejavuje zvýšením teploty.

ľad

Merné teplo ľadu je 2 090 J / ° C · g. Rovnako ako voda má nezvyčajne vysokú hodnotu. To znamená, že napríklad ľadovec by musel absorbovať obrovské množstvo tepla, aby sa zvýšila jeho teplota. Avšak niektoré ľadovce dnes absorbujú teplo potrebné na roztavenie (latentné teplo fúzie).

hliník

Merné teplo hliníka je 0,900 J / ° C · g. Je o niečo nižšia ako kov v gule (0,965 J / ºC · g). Tu sa teplo absorbuje, aby v ich kryštalických štruktúrach vibrovalo na atómy kovu hliníka, a nie jednotlivé molekuly držané pohromade medzimolekulovými silami.

železo

Merné teplo železa je 0,444 J / ° C · g. Keďže je menej ako hliník, znamená to, že pri zahrievaní ponúka menší odpor; to znamená, že pred ohňom bude kúsok železa horieť oveľa skôr ako kúsok hliníka.

Hliník je odolnejší voči zahrievaniu a udržuje jedlo horúce dlhšie, keď sa slávna hliníková fólia používa na balenie občerstvenia.

ovzdušia

Merné teplo vzduchu je približne 1,003 J / ° C · g. Táto hodnota je vysoko vystavená tlakom a teplotám, pretože pozostáva z plynnej zmesi. Tu sa teplo absorbuje, aby vibrovalo molekuly dusíka, kyslíka, oxidu uhličitého, argónu atď.

striebro

Nakoniec je merné teplo pre striebro 0,234 J / ° C · g. Zo všetkých uvedených látok má najnižšiu hodnotu Ce, čo znamená, že pri kontakte so železom a hliníkom by sa kus striebra zahrieval oveľa viac súčasne s ostatnými dvoma kovmi. V skutočnosti harmonizuje so svojou vysokou tepelnou vodivosťou.

Referencie

Serway & Jewett. (2008). Fyzika: pre vedu a techniku. (Siedme vydanie), zväzok 1, Cengage Learning.
Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chémia. (Ôsme vydanie). Cengage Learning.
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5. novembra 2018). Merná tepelná kapacita v chémii. Získané z: thinkco.com
Eric W. Weisstein. (2007). Špecifické teplo. Obnovené z: scienceworld.wolfram.com
R Loď. (2016). Špecifické teplo. Štátna univerzita v Georgii. Získané z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Wikipedia. (2019). Špecifické teplo. Obnovené z: es.wikipedia.org

MERNÉ TEPLO: Z ČOHO POZOSTÁVA, AKO SA POČÍTA A PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026