Capacitate termică specifică - inginerie mecanică; fizică
Căutare vizualizare Nav
navigare
Căutare
Capacitate termică specifică
În capitolul precedent s-a arătat că substanțele reacționează în mod diferit la alimentarea cu căldură sau eliminarea căldurii. Unele dintre ele își schimbă temperatura foarte puternic ca rezultat, în timp ce altele prezintă doar o modificare relativ mică a temperaturii. Modul în care se poate determina ce cantitate de căldură trebuie adăugată sau îndepărtată pentru a produce o anumită schimbare de temperatură va fi prezentată pentru apă ca exemplu. În acest scop, apa cu o anumită cantitate (de exemplu, 1 kilogram) este încălzită cu un încălzitor cu imersiune sau un ceainic și schimbarea temperaturii este înregistrată în timpul acestei.
Figura: Experiment pentru a investiga comportamentul la temperatură al apei atunci când este încălzit
Alimentarea cu căldură poate fi determinată prin intermediul puterii electrice a încălzitorului cu imersiune, care este complet transformată în puterea de căldură (= "cantitatea de căldură pe timp"). Dacă puterea de încălzire a încălzitorului cu imersiune este, de exemplu, de 500 W, atunci 500 J de energie termică sunt transformate pe secundă și, în mod ideal, sunt transferate complet în apă. Astfel, din puterea electrică \ (P \) și timpul de funcționare \ (t \), căldura \ (Q \) furnizată în acest timp poate fi determinată:
Axa timpului poate fi astfel convertită într-o axă a energiei termice pe baza puterii electrice. În experiment, există în principiu o curbă liniară între căldura furnizată și creșterea temperaturii. Din această cauză devine clar că furnizarea unei anumite cantități de căldură \ (Q \) duce întotdeauna la aceeași schimbare de temperatură \ (\ Delta T \). Acest lucru este independent de temperatura care se presupune. De exemplu, pentru o creștere a temperaturii de la 20 ° C la 30 ° C, trebuie furnizată aceeași cantitate de energie ca și pentru o creștere a temperaturii de la 60 ° C la 70 ° C. Cu apa lichidă, temperatura nu are (aproape) nicio influență asupra cantității de căldură care trebuie convertită pentru a provoca o anumită schimbare de temperatură (mai multe despre aceasta mai târziu)!
Creșterea liniară a temperaturii arată, de asemenea, că, de exemplu, cantitatea de energie dublă sau triplă este necesară pentru o schimbare de temperatură care este de două sau trei ori mai mare. Cantitatea de căldură \ (Q \) și schimbarea temperaturii \ (\ Delta T \) sunt, prin urmare, proporționale între ele:
Figura: Proporționalitatea căldurii furnizate și schimbarea temperaturii
În plus față de cantitatea de căldură furnizată, cantitatea de apă care trebuie încălzită influențează și schimbarea de temperatură rezultată. Experiența zilnică de gătit arată că încălzirea unui corp de apă mai mare necesită, de asemenea, mai mult timp (și, prin urmare, energie termică) decât încălzirea unui corp de apă mai mic. Experimentul explicat mai sus este, prin urmare, efectuat și pentru diferite cantități de apă și se observă efectele corespunzătoare asupra profilului de temperatură atunci când sunt încălzite.
Experimentele arată că, dacă doar jumătate din masa reală de apă este încălzită, doar jumătate din energia termică inițială este necesară pentru o anumită schimbare de temperatură sau de două ori cantitatea de căldură pentru o masă de apă corespunzătoare de două ori mai mare. Imaginați-vă că masa dublă a apei este împărțită în două mase mai mici de apă de aceeași dimensiune decât dimensiunea inițială și apoi ambele sunt încălzite în același timp cu două încălzitoare cu imersiune. Per total, ai avea nevoie de două ori cantitatea de căldură. Cantitatea de căldură furnizată \ (Q \) și masa de apă care trebuie încălzită \ (m \) sunt, prin urmare, proporționale între ele:
Figura: Proporționalitatea căldurii furnizate și a masei de încălzit
Ambele proporționalități între cantitatea de căldură \ (Q \) și schimbarea temperaturii \ (\ Delta T \) sau între cantitatea de căldură \ (Q \) și masa \ (m \) pot fi acum convertite într-o proporționalitate comună. Cantitatea totală de căldură \ (Q \) este, prin urmare, proporțională cu produsul modificării temperaturii \ (\ Delta T \) și a masei \ (m \):
Coeficientul cantității de căldură \ (Q \) și produsul masei \ (m \) și variația temperaturii \ (\ Delta T \) este constant și poate fi definit ca o constantă de proporționalitate. Acest factor de proporționalitate se numește capacitatea de căldură specifică \ (c \) și este dependent de material.
Rețineți că ortografia corectă din punct de vedere fizic a specificației unei schimbări de temperatură nu este în grade Celsius (° C), ci în Kelvin (K). Cu toate acestea, acest lucru nu are niciun efect asupra valorii pure a modificării temperaturii, deoarece valoarea numerică a unei schimbări de temperatură în Kelvin este aceeași ca și pentru grade Celsius. Capacitatea de căldură specifică are deci unitatea \ (\ frac >> \), adică arată clar câtă energie termică pe kilogram de material este necesară pentru a crește temperatura cu 1 K (1 ° C).
Ca parametru dependent de material, capacitatea specifică de căldură \ (c \) descrie relația dintre conversia de căldură \ (Q \) și schimbarea de temperatură rezultată \ (\ Delta T \) pentru o masă dată \ (m \):
Datorită conservării energiei, formula de mai sus se aplică nu numai încălzirii unei substanțe, ci și răcirii, timp în care temperatura ar trebui redusă cu o anumită cantitate \ (\ Delta T \). Pentru aceasta, cantitatea corespunzătoare de căldură \ (Q \) trebuie extrasă din substanță. Deoarece schimbarea temperaturii în timpul răcirii este matematic negativă, conversia căldurii primește și un semn negativ. Semnul algebric din rezultatul conversiei căldurii indică dacă căldura este adăugată sau eliminată dintr-o substanță. Un semn pozitiv înseamnă că cantitatea de căldură trebuie adăugată substanței. În mod corespunzător, cu un semn negativ, acea cantitate de căldură trebuie extrasă din substanță.
Capacitatea termică specifică a apei este \ (4,2 \ tfrac >> \) (pronunțat: "patru puncte două kilojoule pe kilogram și Kelvin"). Aceasta înseamnă în mod clar că pentru o masă de apă de 1 kilogram, este necesară o cantitate de căldură de 4,2 kJ pentru a încălzi apa cu 1 ° C. Pentru a reveni la exemplul din secțiunea anterioară, solul are doar o capacitate specifică de căldură de aproximativ \ (1 \ frac >> \). Valoarea pentru apă, care este de aproximativ patru ori mai mare, arată că este necesară de patru ori mai multă căldură pentru aceeași schimbare de temperatură. În schimb, acest lucru înseamnă că, cu aceeași conversie de căldură, temperatura apei se schimbă doar cu un sfert la fel de mult ca în cazul solului. Masa terestră se încălzește mult mai repede atunci când se furnizează căldură sau se răcește mai repede când se disipează căldura. Straturile superioare ale pământului își ajustează temperatura la mediu mai repede decât este cazul apei. Acesta este motivul pentru care apa Marilor Lacuri din jurul orașului Green Bay rămâne relativ rece vara și relativ caldă iarna. Acest lucru are ca rezultat clima menționată mai blândă din Green Bay în comparație cu Aberdeen.
Rețineți că, în determinarea experimentală a capacității de căldură specifice, în conformitate cu configurarea testului de mai sus, se determină o valoare mai mare decât substanța are de fapt. Motivul pentru aceasta este că căldura degajată de încălzitorul cu imersiune nu este alimentată complet în apă. O parte din această căldură este utilizată și pentru încălzirea vasului și a zonei înconjurătoare. Aceasta înseamnă că apa beneficiază doar de mai puțină energie termică decât cea calculată teoretic. A se vedea, de asemenea, capitolul despre calorimetrie.
Figura: Diagrama fluxului de energie pentru încălzirea apei cu un încălzitor cu imersiune
Notă: Cantitatea fizică de calorii în legătură cu conținutul energetic al alimentelor, care este încă în uz astăzi, dar nu mai este permisă, își are originea și în încălzirea apei. Cantitatea de energie necesară pentru a crește 1 g de apă cu 1 ° C a fost definită ca 1 calorie (1 cal). În consecință, 1 cal corespunde unei cantități de energie de 4,2 J. Cu toate acestea, unitatea utilizată mai frecvent în acest context este kilocaloria (kcal), care, în consecință, corespunde unei valori energetice de 4,2 kJ. Rețineți că, atunci când vine vorba de alimente, adesea sunt menționate doar caloriile, deși în majoritatea cazurilor se referă la kilocalorii.
Notă: Termenul „capacitate” în legătură cu „capacitatea specifică de căldură” este destinat să denumească capacitatea unui obiect de a absorbi energia termică fără a modifica în mod vizibil temperatura. Deci, o capacitate foarte mare de stocare a căldurii fără o schimbare mare de temperatură. Termenul „capacitate” este oarecum regretabil prin faptul că termenul „căldură” nu este, din punct de vedere termodinamic, o stare, ci așa-numita variabilă de proces. În sensul strict al cuvântului, căldura nu poate fi „stocată” nicăieri (vezi secțiunea despre căldură). Energia termică furnizată este stocată în cele din urmă în „energie internă” sau este extrasă din obiect atunci când se răcește în detrimentul „energiei interne”.