Specifični toplinski kapacitet je karakteristika tvari. Odnosno, razlikuje se za različite supstance. Osim toga, ista tvar, ali u različitim agregatnim stanjima, ima različit specifični toplinski kapacitet. Dakle, ispravno je govoriti o specifičnom toplotnom kapacitetu neke supstance (specifični toplotni kapacitet vode, specifični toplotni kapacitet zlata, specifični toplotni kapacitet drveta itd.).
Specifični toplotni kapacitet određene supstance pokazuje koliko toplote (Q) joj treba preneti da bi se 1 kilogram ove supstance zagrejao za 1 stepen Celzijusa. Specifični toplotni kapacitet se označava latiničnim slovom c. To jest, c = Q/mt. S obzirom da su t i m jednaki jedinici (1 kg i 1 °C), onda je specifični toplinski kapacitet numerički jednak količini topline.
Međutim, toplina i specifični toplinski kapacitet imaju različite mjerne jedinice. Toplota (Q) u Cu sistemu se meri u džulima (J). Specifični toplotni kapacitet je u džulima podeljen sa kilogramom pomnoženim sa stepenima Celzijusa: J/(kg °C).
Ako je specifični toplinski kapacitet neke tvari, na primjer, 390 J/(kg °C), to znači da će, ako se 1 kg ove tvari zagrije za 1 °C, apsorbirati 390 J topline. Ili, drugim riječima, da bi se 1 kg ove tvari zagrijao za 1 °C, potrebno joj je prenijeti 390 J topline. Ili, ako se 1 kg ove tvari ohladi za 1 °C, tada će ispustiti 390 J topline.
Ako se ne 1, već 2 kg tvari zagrije za 1 °C, tada joj se mora prenijeti dvostruko više topline. Tako će za gornji primjer već biti 780 J. Isto će se dogoditi ako se 1 kg tvari zagrije za 2 °C.
Specifični toplotni kapacitet supstance ne zavisi od njene početne temperature. Odnosno, ako, na primjer, tečna voda ima specifični toplinski kapacitet od 4200 J/(kg °C), tada će za zagrijavanje za 1 °C čak i vode od dvadeset ili devedeset stupnjeva jednako trebati 4200 J topline po 1 kg .
Ali led ima specifičan toplinski kapacitet koji se razlikuje od tekuće vode, skoro dva puta manji. Međutim, da bi se zagrijao za 1 °C, bit će potrebna ista količina topline po 1 kg, bez obzira na njegovu početnu temperaturu.
Specifični toplotni kapacitet takođe ne zavisi od oblika tela koje je napravljeno od date supstance. Čelična šipka i čelični lim iste mase zahtijevat će istu količinu topline da bi se zagrijali za isti broj stupnjeva. Druga stvar je da treba zanemariti razmjenu topline sa okolinom. List ima veću površinu od šipke, što znači da list daje više topline i stoga će se brže hladiti. Ali u idealnim uslovima (kada se gubitak toplote može zanemariti), oblik tela nije bitan. Stoga kažu da je specifični toplinski kapacitet karakteristika tvari, ali ne i tijela.
Dakle, specifični toplinski kapacitet različitih tvari je različit. To znači da ako se daju različite tvari iste mase i iste temperature, tada im se moraju prenijeti različite količine topline da bi se zagrijale na različitu temperaturu. Na primjer, kilogram bakra će zahtijevati oko 10 puta manje topline od vode. To jest, bakar ima specifični toplinski kapacitet koji je otprilike 10 puta manji od vode. Možemo reći da se „manje toplote stavlja u bakar“.
Količina topline koja se mora prenijeti tijelu da bi se zagrijala s jedne temperature na drugu nalazi se pomoću sljedeće formule:
Q = cm(t k – t n)
Ovdje su tk i tn konačna i početna temperatura, m je masa tvari, c je njen specifični toplinski kapacitet. Specifični toplotni kapacitet se obično uzima iz tabela. Iz ove formule može se izraziti specifični toplinski kapacitet.
Voda je jedna od najneverovatnijih supstanci. Unatoč širokoj i raširenoj upotrebi, prava je misterija prirode. Kao jedno od jedinjenja kiseonika, voda bi, čini se, trebalo da ima veoma niske karakteristike kao što su smrzavanje, toplota isparavanja, itd. Ali to se ne dešava. Sam toplotni kapacitet vode je, uprkos svemu, izuzetno visok.
Voda je sposobna apsorbirati ogromnu količinu topline, a praktički se ne zagrijava - to je njena fizička karakteristika. voda je otprilike pet puta veća od toplotnog kapaciteta peska i deset puta veća od toplotnog kapaciteta gvožđa. Stoga je voda prirodno rashladno sredstvo. Njegova sposobnost da akumulira velike količine energije omogućava mu da izgladi temperaturne fluktuacije na površini Zemlje i reguliše termalni režim na cijeloj planeti, a to se dešava bez obzira na doba godine.
Ovo jedinstveno svojstvo vode omogućava joj da se koristi kao rashladno sredstvo u industriji iu svakodnevnom životu. Osim toga, voda je široko dostupna i relativno jeftina sirovina.
Šta se podrazumeva pod toplotnim kapacitetom? Kao što je poznato iz kursa termodinamike, prenos toplote se uvek dešava sa toplog na hladno telo. U ovom slučaju govorimo o prijenosu određene količine topline, a temperatura oba tijela, kao karakteristika njihovog stanja, pokazuje smjer te izmjene. U procesu metalnog tijela s vodom jednake mase na istim početnim temperaturama, metal mijenja svoju temperaturu nekoliko puta više od vode.
Ako kao postulat uzmemo osnovnu tvrdnju termodinamike - dva tijela (izolovana od ostalih), prilikom razmjene topline jedno odaje, a drugo prima jednaku količinu topline, onda postaje jasno da metal i voda imaju potpuno različitu toplinu kapaciteti.
Dakle, toplotni kapacitet vode (kao i bilo koje supstance) je pokazatelj koji karakteriše sposobnost date supstance da pri hlađenju (zagrevanju) nešto da (ili primi) po jediničnoj temperaturi.
Specifični toplinski kapacitet tvari je količina topline potrebna za zagrijavanje jedinice ove tvari (1 kilogram) za 1 stepen.
Količina topline koju tijelo oslobađa ili apsorbira jednaka je proizvodu specifičnog toplinskog kapaciteta, mase i temperaturne razlike. Mjeri se u kalorijama. Jedna kalorija je tačno ona količina toplote koja je dovoljna da se 1 g vode zagreje za 1 stepen. Za poređenje: specifični toplotni kapacitet vazduha je 0,24 cal/g ∙°C, aluminijuma - 0,22, gvožđa - 0,11, žive - 0,03.
Toplotni kapacitet vode nije konstantan. Kako temperatura raste od 0 do 40 stepeni, ona se blago smanjuje (sa 1,0074 na 0,9980), dok se za sve ostale supstance ova karakteristika povećava tokom zagrijavanja. Osim toga, može se smanjiti s povećanjem pritiska (na dubini).
Kao što znate, voda ima tri agregatna stanja - tečno, čvrsto (led) i gasovito (para). U isto vrijeme, specifični toplinski kapacitet leda je otprilike 2 puta manji od kapaciteta vode. Ovo je glavna razlika između vode i drugih tvari čiji se specifični toplinski kapacitet ne mijenja u čvrstom i rastopljenom stanju. u čemu je tajna?
Činjenica je da led ima kristalnu strukturu, koja se ne ruši odmah kada se zagrije. Voda sadrži male čestice leda koje se sastoje od nekoliko molekula zvanih saradnici. Kada se voda zagrije, dio se troši na uništavanje vodikovih veza u tim formacijama. To objašnjava neobično visok toplinski kapacitet vode. Veze između njegovih molekula potpuno su uništene tek kada se voda pretvori u paru.
Specifični toplotni kapacitet na temperaturi od 100°C gotovo se ne razlikuje od kapaciteta leda na 0°C. Ovo još jednom potvrđuje ispravnost ovog objašnjenja. Toplotni kapacitet pare, kao i toplotni kapacitet leda, trenutno je mnogo bolje proučen od vode, o čemu naučnici još nisu postigli konsenzus.
Šta mislite da se brže zagreva na šporetu: litar vode u šerpi ili sam lonac od 1 kilograma? Masa tijela je ista, može se pretpostaviti da će se zagrijavanje odvijati istom brzinom.
Ali to nije bio slučaj! Možete napraviti eksperiment - stavite praznu šerpu na vatru na nekoliko sekundi, samo je nemojte zapaliti i zapamtite do koje temperature se zagrijao. A zatim u šerpu sipajte vodu tačno istu težinu kao i tava. Teoretski, voda bi se trebala zagrijati na istu temperaturu kao prazna šerpa za duplo duže, jer se u ovom slučaju zagrijavaju oboje – i voda i tiganj.
Međutim, čak i ako čekate tri puta duže, uvjerit ćete se da će se voda ipak manje zagrijavati. Vodi će biti potrebno skoro deset puta duže da postigne istu temperaturu kao tava iste težine. Zašto se ovo dešava? Šta sprečava zagrevanje vode? Zašto bismo trošili vodu za grijanje na plin pri kuvanju? Zato što postoji fizička veličina koja se zove specifični toplotni kapacitet supstance.
Specifični toplotni kapacitet supstance
Ova vrijednost pokazuje koliko topline treba prenijeti tijelo teško jedan kilogram da bi se njegova temperatura povećala za jedan stepen Celzijusa. Izmjereno u J/(kg * ˚S). Ova vrijednost ne postoji zbog vlastitog hira, već zbog razlike u svojstvima različitih supstanci.
Specifična toplota vode je oko deset puta veća od specifične toplote gvožđa, pa će se tava zagrejati deset puta brže od vode u njoj. Zanimljivo je da je specifični toplinski kapacitet leda upola manji od vode. Stoga će se led zagrijati dvostruko brže od vode. Topljenje leda je lakše nego zagrevanje vode. Koliko god čudno zvučalo, to je činjenica.
Proračun količine topline
Specifični toplotni kapacitet je označen slovom c I koristi se u formuli za izračunavanje količine topline:
Q = c*m*(t2 - t1),
gdje je Q količina toplote,
c - specifični toplotni kapacitet,
m - tjelesna težina,
t2 i t1 su konačna i početna tjelesna temperatura, respektivno.
Formula specifičnog toplotnog kapaciteta: c = Q / m*(t2 - t1)
Također možete izraziti iz ove formule:
- m = Q / c*(t2-t1) - tjelesna težina
- t1 = t2 - (Q / c*m) - početna tjelesna temperatura
- t2 = t1 + (Q / c*m) - konačna tjelesna temperatura
- Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - temperaturna razlika (delta t)
Šta je sa specifičnim toplotnim kapacitetom gasova? Ovdje je sve zbunjujuće. Sa čvrstim i tečnim materijama situacija je mnogo jednostavnija. Njihov specifični toplotni kapacitet je konstantna, poznata i lako izračunata vrednost. Što se tiče specifičnog toplotnog kapaciteta gasova, ova vrednost je veoma različita u različitim situacijama. Uzmimo zrak kao primjer. Specifični toplotni kapacitet vazduha zavisi od njegovog sastava, vlažnosti i atmosferskog pritiska.
Istovremeno, kako temperatura raste, gas se povećava u zapremini, a potrebno je da unesemo još jednu vrednost - konstantnu ili promenljivu zapreminu, što će uticati i na toplotni kapacitet. Zbog toga se pri izračunavanju količine toplote za vazduh i druge gasove koriste posebni grafikoni specifičnog toplotnog kapaciteta gasova u zavisnosti od različitih faktora i uslova.
Svaki školarac se susreće sa konceptom "specifične toplote" na časovima fizike. Ljudi u većini slučajeva zaborave školsku definiciju, a često uopće ne razumiju značenje ovog pojma. Na tehničkim fakultetima većina studenata će se prije ili kasnije susresti sa specifičnim toplinskim kapacitetom. Možda kao dio studija fizike, ili će možda neko imati takvu disciplinu kao što je "termičko inženjerstvo" ili "tehnička termodinamika". U tom slučaju morate zapamtiti školski program. Dakle, u nastavku razmatramo definicije, primjere, značenja za neke supstance.
Definicija
Specifični toplotni kapacitet je fizička veličina koja karakteriše koliko toplote mora biti dovedeno ili uklonjeno iz jedinice supstance da bi se njena temperatura promenila za jedan stepen. Važno je poništiti da nije bitno, stepeni Celzijusa, Kelvina i Farenhajta, glavna stvar je promjena temperature po jedinici.
Specifični toplotni kapacitet ima svoju mjernu jedinicu - u međunarodnom sistemu jedinica (SI) - Joule, podijeljen umnoškom kilograma i stepena Kelvina, J/(kg K); nesistemska jedinica je omjer kalorije prema proizvodu kilograma i stepena Celzijusa, cal/(kg °C). Ova vrijednost se najčešće označava slovom c ili C; ponekad se koriste indeksi. Na primjer, ako je pritisak konstantan, onda je indeks p, a ako je volumen konstantan, tada je v.
Varijacije definicija
Moguće je nekoliko formulacija definicije fizičke veličine o kojoj se raspravlja. Pored navedenog, prihvatljiva je definicija da je specifični toplinski kapacitet omjer toplinskog kapaciteta tvari i njene mase. U ovom slučaju, potrebno je jasno razumjeti šta je "toplotni kapacitet". Dakle, toplotni kapacitet je fizička veličina koja pokazuje koliko toplote mora biti dostavljeno telu (supstanci) ili oduzeto da bi se njegova temperatura promenila za jedan. Specifični toplinski kapacitet tvari mase veće od kilograma određuje se na isti način kao i za jediničnu vrijednost.
Neki primjeri i značenja za razne supstance
Eksperimentalno je utvrđeno da je ta vrijednost različita za različite tvari. Na primjer, specifični toplinski kapacitet vode je 4,187 kJ/(kg K). Najveća vrijednost ove fizičke veličine za vodonik je 14,300 kJ/(kg K), najmanja za zlato je 0,129 kJ/(kg K). Ako vam je potrebna vrijednost za određenu tvar, onda morate uzeti referentnu knjigu i pronaći odgovarajuće tablice, au njima - vrijednosti koje vas zanimaju. Međutim, moderne tehnologije omogućavaju značajno ubrzanje procesa pretraživanja - na bilo kojem telefonu koji ima mogućnost prijave na World Wide Web, dovoljno je upisati pitanje koje vas zanima u traku za pretragu, započeti pretragu i potražiti odgovorite na osnovu rezultata. U većini slučajeva morate pratiti prvu vezu. Međutim, ponekad uopće nema potrebe ići negdje drugdje - odgovor na pitanje vidljiv je u kratkom opisu informacija.
Najčešće tvari za koje se traži toplinski kapacitet, uključujući specifičnu toplinu, su:
- vazduh (suv) - 1,005 kJ/(kg K),
- aluminijum - 0,930 kJ/(kg K),
- bakar - 0,385 kJ/(kg K),
- etanol - 2.460 kJ/(kg K),
- gvožđe - 0,444 kJ/(kg K),
- živa - 0,139 kJ/(kg K),
- kiseonik - 0,920 kJ/(kg K),
- drvo - 1.700 kJ/(kg K),
- pijesak - 0,835 kJ/(kg K).
Specifična toplota
Toplotni kapacitet je količina toplote koju telo apsorbuje kada se zagreje za 1 stepen.Toplotni kapacitet tijela označen je velikim latiničnim slovom WITH.
Od čega zavisi toplotni kapacitet tela? Prije svega, od svoje mase. Jasno je da će za zagrijavanje, na primjer, 1 kilogram vode potrebno više topline nego za zagrijavanje 200 grama.
Šta je sa vrstom supstance? Hajde da napravimo eksperiment. Uzmimo dvije identične posude i, nakon što u jednu ulijemo vodu težine 400 g, a u drugu biljno ulje od 400 g, počet ćemo ih zagrijavati pomoću identičnih plamenika. Posmatrajući očitanja termometra, vidjet ćemo da se ulje brže zagrijava. Da bi se voda i ulje zagrijali na istu temperaturu, voda se mora zagrijavati duže. Ali što duže zagrijavamo vodu, to više topline prima od gorionika.
Dakle, različite količine topline potrebne su za zagrijavanje iste mase različitih tvari na istu temperaturu. Količina topline potrebna za zagrijavanje tijela, a samim tim i njegov toplinski kapacitet zavise od vrste tvari od koje se tijelo sastoji.
Tako, na primjer, za povećanje temperature vode težine 1 kg za 1 °C potrebna je količina topline jednaka 4200 J, a za zagrijavanje iste mase suncokretovog ulja za 1 °C, količina topline jednaka Potrebno je 1700 J.
Fizička veličina koja pokazuje koliko je topline potrebno za zagrijavanje 1 kg tvari za 1 °C naziva se specifični toplinski kapacitet ove tvari.
Svaka supstanca ima svoj specifični toplotni kapacitet, koji se označava latiničnim slovom c i meri se u džulima po kilogramskom stepenu (J/(kg K)).
Specifični toplinski kapacitet iste tvari u različitim agregatnim stanjima (čvrsto, tekuće i plinovito) je različit. Na primjer, specifični toplinski kapacitet vode je 4200 J/(kg K) , i specifični toplotni kapacitet leda J/(kg K) ; aluminijum u čvrstom stanju ima specifični toplotni kapacitet od 920 J/(kg K), au tečnosti - J/(kg K).
Imajte na umu da voda ima vrlo visok specifični toplinski kapacitet. Stoga voda u morima i okeanima, zagrijavajući se ljeti, apsorbira veliku količinu topline iz zraka. Zahvaljujući tome, na onim mjestima koja se nalaze u blizini velikih vodenih površina, ljeto nije tako vruće kao na mjestima udaljenim od vode.
Specifični toplotni kapacitet čvrstih materija
U tabeli su prikazane prosječne vrijednosti specifičnog toplinskog kapaciteta tvari u temperaturnom rasponu od 0 do 10°C (osim ako nije naznačena druga temperatura)
| Supstanca | Specifični toplotni kapacitet, kJ/(kg K) |
|---|---|
| Čvrsti azot (na t=-250°C) | 0,46
|
| Beton (na t=20 °C) | 0,88
|
| Papir (na t=20 °C) | 1,50
|
| Vazduh je čvrst (na t=-193 °C) | 2,0
|
| Grafit |
0,75
|
| Hrast |
2,40
|
| Drvo bora, smreke |
2,70
|
| Kamena sol |
0,92
|
| Stone |
0,84
|
| Cigla (na t=0 °C) | 0,88
|
Specifični toplotni kapacitet tečnosti
| Supstanca | Temperatura, °C | |
|---|---|---|
| Benzin (B-70) |
20
|
2,05
|
| Voda |
1-100
|
4,19
|
| Glicerol |
0-100
|
2,43
|
| Kerozin | 0-100
|
2,09
|
| Mašinsko ulje |
0-100
|
1,67
|
| Suncokretovo ulje |
20
|
1,76
|
| Dušo |
20
|
2,43
|
| Mlijeko |
20
|
3,94
|
| Ulje | 0-100
|
1,67-2,09
|
| Merkur |
0-300
|
0,138
|
| Alkohol |
20
|
2,47
|
| Eter |
18
|
3,34
|
Specifični toplotni kapacitet metala i legura
| Supstanca | Temperatura, °C | Specifični toplotni kapacitet, kJ/(kg K) |
|---|---|---|
| Aluminijum |
0-200
|
0,92
|
| Tungsten |
0-1600
|
0,15
|
| Iron |
0-100
|
0,46
|
| Iron |
0-500
|
0,54
|
| Zlato |
0-500
|
0,13
|
| Iridijum |
0-1000
|
0,15
|
| Magnezijum |
0-500
|
1,10
|
| Bakar |
0-500
|
0,40
|
| Nikl |
0-300
|
0,50
|
| Tin |
0-200
|
0,23
|
| Platinum |
0-500
|
0,14
|
| Olovo |
0-300
|
0,14
|
| Srebro |
0-500
|
0,25
|
| Čelik |
50-300
|
0,50
|
| Cink |
0-300
|
0,40
|
| Liveno gvožde |
0-200
|
0,54
|
Specifični toplotni kapacitet rastopljenih metala i tečnih legura
| Supstanca | Temperatura, °C | Specifični toplotni kapacitet, kJ/(kg K) |
|---|---|---|
| Nitrogen |
-200,4
|
2,01
|
| Aluminijum |
660-1000
|
1,09
|
| Vodonik |
-257,4
|
7,41
|
| Zrak |
-193,0
|
1,97
|
| Helijum |
-269,0
|
4,19
|
| Zlato |
1065-1300
|
0,14
|
| Kiseonik |
-200,3
|
1,63
|
| Natrijum |
100
|
1,34
|
| Tin |
250
|
0,25
|
| Olovo |
327
|
0,16
|
| Srebro |
960-1300
|
0,29
|
Specifični toplotni kapacitet gasova i para
pri normalnom atmosferskom pritisku
| Supstanca | Temperatura, °C | Specifični toplotni kapacitet, kJ/(kg K) |
|---|---|---|
| Nitrogen |
0-200
|
1,0
|
| Vodonik |
0-200
|
14,2
|
| vodena para |
100-500
|
2,0
|
| Zrak |
0-400
|
1,0
|
| Helijum |
0-600
|
5,2
|
| Kiseonik |
20-440
|
0,92
|
| Ugljen(II) monoksid |
26-200
|
1,0
|
| Ugljen monoksid | 0-600
|
1,0
|
| Alkoholna para |
40-100
|
1,2
|
| Hlor |
13-200
|
0,50
|