Специфичен топлинен капацитет: изчисляване на количеството топлина. Какъв е специфичният топлинен капацитет

05.04.2019, 01:47

Специфична топлина

Топлинният капацитет е количеството топлина, погълнато от тялото при нагряване с 1 градус.

Топлинният капацитет на тялото се обозначава с главна латинска буква СЪС.

Какво определя топлинния капацитет на тялото? На първо място, от неговата маса. Ясно е, че загряването например на 1 килограм вода ще изисква повече топлина, отколкото загряването на 200 грама.

Какво ще кажете за вида на веществото? Нека направим експеримент. Нека вземем два еднакви съда и като налеем вода с тегло 400 g в единия от тях и растително масло с тегло 400 g в другия, ще започнем да ги нагряваме с помощта на еднакви горелки. Като наблюдаваме показанията на термометрите, ще видим, че маслото се загрява по-бързо. За да загреете вода и масло до еднаква температура, водата трябва да се загрява по-дълго. Но колкото по-дълго нагряваме водата, толкова повече топлина получава тя от горелката.

По този начин, за да се нагрее една и съща маса от различни вещества до една и съща температура, са необходими различни количества топлина. Количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, и следователно неговият топлинен капацитет зависят от вида на веществото, от което е съставено това тяло.

Така например, за да се повиши температурата на 1 kg вода с 1 °C, е необходимо количество топлина, равно на 4200 J, а за да се нагрее същата маса слънчогледово масло с 1 °C, количество топлина, равно на Необходими са 1700 J.

Физическото количество, което показва колко топлина е необходима за нагряване на 1 kg вещество с 1 ° C, се нарича специфична топлина на това вещество.

Всяко вещество има свой специфичен топлинен капацитет, който се обозначава с латинската буква c и се измерва в джаули на килограм-градус (J / (kg K)).

Специфичният топлинен капацитет на едно и също вещество в различни агрегатни състояния (твърдо, течно и газообразно) е различен. Например, специфичният топлинен капацитет на водата е 4200 J/(kg K) и специфичния топлинен капацитет на леда J/(kg K) ; алуминият в твърдо състояние има специфичен топлинен капацитет от 920 J / (kg K), а в течност - J / (kg K).

Имайте предвид, че водата има много висок специфичен топлинен капацитет. Поради това водата в моретата и океаните, нагрявайки се през лятото, поема голямо количество топлина от въздуха. Поради това на местата, които се намират в близост до големи водни басейни, лятото не е толкова горещо, колкото на места, далеч от водата.

Специфичен топлинен капацитет на твърдите тела

Таблицата показва средните стойности на специфичния топлинен капацитет на веществата в температурния диапазон от 0 до 10 ° C (ако не е посочена друга температура)

вещество	Специфичен топлинен капацитет, kJ/(kg K)
Твърд азот (при t=-250°С)	0,46
Бетон (при t=20 °C)	0,88
Хартия (при t=20 °C)	1,50
Твърд въздух (при t=-193 °C)	2,0
Графит	0,75
дъб	2,40
Бор, смърч	2,70
Каменна сол	0,92
камък	0,84
Тухла (при t=0 °С)	0,88

Специфичен топлинен капацитет на течности

вещество	Температура, °C
Бензин (B-70)	20	2,05
вода	1-100	4,19
Глицерол	0-100	2,43
Керосин	0-100	2,09
Машинно масло	0-100	1,67
Слънчогледово олио	20	1,76
Пчелен мед	20	2,43
Мляко	20	3,94
Масло	0-100	1,67-2,09
живак	0-300	0,138
Алкохол	20	2,47
Етер	18	3,34

Специфичен топлинен капацитет на метали и сплави

вещество	Температура, °C	Специфичен топлинен капацитет, k J/(kg K)
Алуминий	0-200	0,92
Волфрам	0-1600	0,15
Желязо	0-100	0,46
Желязо	0-500	0,54
злато	0-500	0,13
Иридий	0-1000	0,15
Магнезий	0-500	1,10
Мед	0-500	0,40
никел	0-300	0,50
Калай	0-200	0,23
Платина	0-500	0,14
Водя	0-300	0,14
Сребро	0-500	0,25
Стомана	50-300	0,50
Цинк	0-300	0,40
Излято желязо	0-200	0,54

Специфичен топлинен капацитет на разтопени метали и втечнени сплави

вещество	Температура, °C	Специфичен топлинен капацитет, k J/(kg K)
Азот	-200,4	2,01
Алуминий	660-1000	1,09
Водород	-257,4	7,41
Въздух	-193,0	1,97
Хелий	-269,0	4,19
злато	1065-1300	0,14
Кислород	-200,3	1,63
Натрий	100	1,34
Калай	250	0,25
Водя	327	0,16
Сребро	960-1300	0,29

Специфичен топлинен капацитет на газове и пари

при нормално атмосферно налягане

вещество	Температура, °C	Специфичен топлинен капацитет, k J/(kg K)
Азот	0-200	1,0
Водород	0-200	14,2
водна пара	100-500	2,0
Въздух	0-400	1,0
Хелий	0-600	5,2
Кислород	20-440	0,92
Въглероден окис (II)	26-200	1,0
Въглероден окис (IV)	0-600	1,0
Алкохолни пари	40-100	1,2
хлор	13-200	0,50

Какво мислите, че се загрява по-бързо на котлона: литър вода в тенджера или самата тенджера с тегло 1 килограм? Масата на телата е еднаква, може да се приеме, че нагряването ще се извършва с еднаква скорост.

Но го нямаше! Можете да направите експеримент - сложете празна тенджера на огъня за няколко секунди, само не я изгаряйте и запомнете до каква температура се е загряла. След това налейте вода в тигана с точно същото тегло като теглото на тигана. На теория водата трябва да се загрее до същата температура като празен тиган за два пъти по-кратко време, тъй като в този случай и двете се загряват - и водата, и тигана.

Въпреки това, дори и да чакате три пъти повече, уверете се, че водата все още е по-слабо загрята. Отнема почти десет пъти повече време, за да се нагрее водата до същата температура като тенджера със същото тегло. Защо се случва това? Какво спира водата да се нагрява? Защо трябва да хабим допълнителен газ за загряване на вода, когато готвим? Защото има физична величина, наречена специфичен топлинен капацитет на дадено вещество.

Специфичен топлинен капацитет на веществото

Тази стойност показва колко топлина трябва да се предаде на тяло с маса един килограм, за да може температурата му да се повиши с един градус по Целзий. Измерва се в J / (kg * ˚С). Тази стойност съществува не по прищявка, а поради разликата в свойствата на различните вещества.

Специфичният топлинен капацитет на водата е около десет пъти по-голям от желязото, така че съдът ще се нагрее десет пъти по-бързо от водата в него. Любопитно е, че специфичният топлинен капацитет на леда е наполовина по-малък от този на водата. Следователно ледът ще се нагрява два пъти по-бързо от водата. Топенето на лед е по-лесно от загряването на вода. Колкото и странно да звучи, това е факт.

Изчисляване на количеството топлина

Специфичният топлинен капацитет се обозначава с буквата ° СИ използвани във формулата за изчисляване на количеството топлина:

Q = c*m*(t2 - t1),

където Q е количеството топлина,
c - специфичен топлинен капацитет,
m - телесно тегло,
t2 и t1 са съответно крайната и началната температура на тялото.

Формула за специфична топлина: c = Q / m*(t2 - t1)

Можете също да изразите от тази формула:

• m = Q / c*(t2-t1) - телесно тегло
• t1 = t2 - (Q / c*m) - начална телесна температура
• t2 = t1 + (Q / c*m) - крайна телесна температура
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - температурна разлика (делта t)

Какво ще кажете за специфичния топлинен капацитет на газовете?Тук всичко е по-объркващо. При твърдите и течните вещества ситуацията е много по-проста. Техният специфичен топлинен капацитет е постоянна, известна, лесно изчислима стойност. Що се отнася до специфичния топлинен капацитет на газовете, тази стойност е много различна в различните ситуации. Да вземем за пример въздуха. Специфичният топлинен капацитет на въздуха зависи от състава, влажността и атмосферното налягане.

В същото време с повишаване на температурата газът се увеличава по обем и трябва да въведем още една стойност - постоянен или променлив обем, който също ще повлияе на топлинния капацитет. Следователно при изчисляване на количеството топлина за въздух и други газове се използват специални графики на стойностите на специфичния топлинен капацитет на газовете в зависимост от различни фактори и условия.

Всеки ученик се сблъсква в уроците по физика с такова понятие като "специфичен топлинен капацитет". В повечето случаи хората забравят училищната дефиниция и често изобщо не разбират значението на този термин. В техническите университети повечето студенти рано или късно ще се сблъскат със специфична топлина. Може би като част от изучаването на физика или може би някой ще има такава дисциплина като "топлотехника" или "техническа термодинамика". В този случай ще трябва да запомните училищната програма. И така, по-долу е определението, примерите, значенията за някои вещества.

Определение

Специфичният топлинен капацитет е физична величина, която характеризира колко топлина трябва да се подаде към единица вещество или да се отнеме от единица вещество, за да се промени температурата му с един градус. Важно е да отмените, че няма значение дали е Целзий, Келвин или Фаренхайт, основното е промяната на температурата на единица.

Специфичният топлинен капацитет има своя собствена мерна единица - в международната система от единици (SI) - Джаул, разделен на произведението на килограм и градус Келвин, J / (kg K); извънсистемната единица е отношението на калория към произведението на килограм и градус по Целзий, cal/(kg °C). Тази стойност най-често се обозначава с буквата c или C, понякога се използват индекси. Например, ако налягането е постоянно, тогава индексът е p, а ако обемът е постоянен, тогава v.

Варианти на дефиниция

Възможни са няколко формулировки на дефиницията на разглежданата физична величина. В допълнение към горното се счита за приемливо определение, което гласи, че специфичният топлинен капацитет е съотношението на стойността на топлинния капацитет на веществото към неговата маса. В този случай е необходимо ясно да се разбере какво е "топлинен капацитет". И така, топлинният капацитет се нарича физична величина, която показва колко топлина трябва да се предаде на тялото (вещество) или да се отнеме, за да се промени стойността на неговата температура с единица. Специфичният топлинен капацитет на маса на вещество, по-голяма от килограм, се определя по същия начин, както за единична стойност.

Някои примери и значения за различни вещества

Експериментално е установено, че тази стойност е различна за различните вещества. Например, специфичният топлинен капацитет на водата е 4,187 kJ/(kg K). Най-голямата стойност на това физическо количество за водорода е 14,300 kJ/(kg·K), най-малката стойност за златото е 0,129 kJ/(kg·K). Ако имате нужда от стойност за конкретно вещество, тогава трябва да вземете справочник и да намерите съответните таблици, а в тях - стойностите, които ви интересуват. Съвременните технологии обаче позволяват да се ускори процесът на търсене в пъти - достатъчно е на всеки телефон, който има възможност да влезе в световната мрежа, да въведете въпроса, който ви интересува в лентата за търсене, да стартирате търсенето и да потърсите отговор въз основа на резултатите. В повечето случаи трябва да кликнете върху първата връзка. Понякога обаче изобщо не е необходимо да ходите никъде другаде - отговорът на въпроса се вижда в кратко описание на информацията.

Най-често срещаните вещества, за които се търси топлинен капацитет, включително специфична топлина, са:

• въздух (сух) - 1,005 kJ / (kg K),
• алуминий - 0,930 kJ / (kg K),
• мед - 0,385 kJ / (kg K),
• етанол - 2,460 kJ / (kg K),
• желязо - 0,444 kJ / (kg K),
• живак - 0,139 kJ / (kg K),
• кислород - 0,920 kJ / (kg K),
• дърво - 1700 kJ/(kg K),
• пясък - 0,835 kJ/(kg K).

Инструменти и аксесоари, използвани в работата:

2. Тежести.

3. Термометър.

4. Калориметър.

6. Калориметрично тяло.

7. Домакински плочки.

Цел на работата:

Да се ​​научите експериментално да определяте специфичния топлинен капацитет на дадено вещество.

I. ТЕОРЕТИЧНО ВЪВЕДЕНИЕ.

Топлопроводимост- пренос на топлина от по-нагрети части на тялото към по-малко нагрети в резултат на сблъсък на бързи молекули с бавни, в резултат на което бързите молекули предават част от енергията си на бавните.

Промяната във вътрешната енергия на всяко тяло е правопропорционална на неговата маса и промяната в телесната температура.

DU=cmDT(1)
Q=cmDT(2)

Стойността c, характеризираща зависимостта на промяната на вътрешната енергия на тялото по време на нагряване или охлаждане от вида на веществото и външните условия, се нарича специфичен топлинен капацитет на тялото.

(4)

Стойността С, която характеризира зависимостта на тялото да поглъща топлина при нагряване и е равна на съотношението на количеството топлина, предадено на тялото, към увеличението на неговата температура, се нарича топлинен капацитет на тялото.

C = c × m. (5)
(6)
Q=CDT(7)

Моларен топлинен капацитет C m,е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на един мол вещество с 1 Келвин

Cm = cM. (8)
C m = (9)

Специфичният топлинен капацитет зависи от характера на процеса, при който се нагрява.

Уравнение на топлинния баланс.

При пренос на топлина сумата от количествата топлина, отдадена от всички тела, в които вътрешната енергия намалява, е равна на сумата от количествата топлина, получена от всички тела, в които вътрешната енергия нараства.

SQ out = SQ in (10)

Ако телата образуват затворена система и между тях се извършва само топлообмен, тогава алгебричната сума на получените и дадените количества топлина е 0.

SQ out + SQ in = 0.

Пример:

В топлообмена участват тяло, калориметър и течност. Тялото отдава топлина, калориметърът и течността я приемат.

Q t \u003d Q k + Q f

Q t \u003d c t m t (T 2 - Q)

Q до = c до m до (Q - T 1)

Q f = c f m f (Q - T 1)

Където Q(tau) е общата крайна температура.

с t m t (T 2 -Q) \u003d с to m до (Q- T 1) + с f m f (Q- T 1)

с t \u003d ((Q - T 1) * (s до m k + c f m g)) / m t (T 2 - Q)

T \u003d 273 0 + t 0 C

2. ХОД НА РАБОТАТА.

ВСИЧКИ ТЕГЛЕНИ ТРЯБВА ДА СЕ ИЗВЪРШВАТ С ТОЧНОСТ 0,1 g.

1. Определете чрез претегляне масата на вътрешния съд, калориметър m 1 .

2. Налейте вода във вътрешния съд на калориметъра, претеглете вътрешната чаша заедно с излятата течност m k.

3. Определете масата на излятата вода m \u003d m до - m 1

4. Поставете вътрешния съд на калориметъра във външния съд и измерете началната температура на водата T 1 .

5. Извадете тестовото тяло от вряща вода, бързо го прехвърлете в калориметъра, определяйки T 2 - началната температура на тялото, тя е равна на температурата на вряща вода.

6. Докато разбърквате течността в калориметъра, изчакайте, докато температурата спре да се повишава: измерете крайната (постоянна) температура Q.

7. Извадете тестовото тяло от калориметъра, подсушете го с филтърна хартия и го претеглете на везни, за да определите масата му m 3 .

8. Запишете резултатите от всички измервания и изчисления в таблицата. Извършвайте изчисления до втория знак след десетичната запетая.

9. Направете уравнение на топлинния баланс и от него намерете специфичния топлинен капацитет на дадено вещество с.

10. Въз основа на получените резултати определете веществото в приложението.

11. Изчислете абсолютната и относителната грешка на получения резултат спрямо табличния резултат, като използвате формулите:

;

12. Заключение за свършената работа.

ТАБЛИЦА С РЕЗУЛТАТИТЕ ОТ ИЗМЕРВАНЕТО И ИЗЧИСЛЕНИЕТО

Специфичният топлинен капацитет е енергията, необходима за повишаване на температурата на 1 грам чисто вещество с 1°. Параметърът зависи от неговия химичен състав и агрегатно състояние: газообразно, течно или твърдо. След неговото откритие започва нов кръг от развитие на термодинамиката, науката за процесите на преход на енергия, които са свързани с топлината и функционирането на системата.

обикновено, при производството се използват специфичен топлинен капацитет и основите на термодинамикатарадиатори и системи, предназначени за охлаждане на превозни средства, както и в химията, ядрената техника и аеродинамиката. Ако искате да знаете как се изчислява специфичният топлинен капацитет, вижте предложената статия.

Преди да продължите с директното изчисляване на параметъра, трябва да се запознаете с формулата и нейните компоненти.

Формулата за изчисляване на специфичния топлинен капацитет е следната:

• с = Q/(m*∆T)

Познаването на количествата и техните символни обозначения, използвани при изчислението, е изключително важно. Необходимо е обаче не само да се знае визуалният им вид, но и ясно да се разбере значението на всеки от тях. Изчисляването на специфичния топлинен капацитет на дадено вещество е представено от следните компоненти:

ΔT е символ, обозначаващ постепенна промяна в температурата на дадено вещество. Символът "Δ" се произнася като делта.

ΔT = t2–t1, където

• t1 е първичната температура;
• t2 е крайната температура след промяната.

m е масата на веществото, използвано за нагряване (g).

Q - количеството топлина (J / J)

Въз основа на CR могат да се изведат други уравнения:

• Q \u003d m * cp * ΔT - количеството топлина;
• m = Q/cr * (t2 - t1) - масата на веществото;
• t1 = t2–(Q/цp*m) – първична температура;
• t2 = t1+(Q/цp*m) – крайна температура.

Инструкции за изчисляване на параметъра

1. Вземете формулата за изчисление: Топлинна мощност \u003d Q / (m * ∆T)
2. Изпишете оригиналните данни.
3. Включете ги във формулата.
4. Направете изчислението и получете резултата.

Като пример, нека изчислим неизвестно вещество с тегло 480 грама и температура 15ºC, която в резултат на нагряване (подаване на 35 хиляди J) се повишава до 250º.

Съгласно дадените по-горе инструкции извършваме следните действия:

Изписваме първоначалните данни:

• Q = 35 хиляди J;
• m = 480 g;
• ΔT = t2–t1 = 250–15 = 235 ºC.

Взимаме формулата, заместваме стойностите и решаваме:

с=Q/(m*∆T)=35 хиляди J/(480 g*235º)=35 хиляди J/(112800 g*º)=0,31 J/g*º.

Изчисляване

Нека направим изчислението C Pвода и калай при следните условия:

• m = 500 грама;
• t1 =24ºC и t2 = 80ºC - за вода;
• t1 =20ºC и t2 =180ºC - за калай;
• Q = 28 хиляди J.

Първо определяме ΔT съответно за вода и калай:

• ΔTv = t2–t1 = 80–24 = 56ºC
• ΔТо = t2–t1 = 180–20 =160ºC

След това намираме специфичния топлинен капацитет:

1. c \u003d Q / (m * ΔTv) = 28 хиляди J / (500 g * 56ºC) \u003d 28 хиляди J / (28 хиляди g * ºC) = 1 J / g * ºC.
2. с=Q/(m*ΔТо)=28 хиляди J/(500 g*160ºC)=28 хиляди J/(80 хиляди g*ºC)=0,35 J/g*ºC.

Така специфичният топлинен капацитет на водата е 1 J/g*ºC, а този на калая е 0,35 J/g*ºC. От това можем да заключим, че при еднаква стойност на входящата топлина от 28 хиляди J, калайът ще се нагрее по-бързо от водата, тъй като топлинният му капацитет е по-малък.

Топлинният капацитет се притежава не само от газове, течности и твърди вещества, но и от храна.

Как да изчислим топлинния капацитет на храната

При изчисляване на мощността уравнението ще приеме следната форма:

c=(4,180*w)+(1,711*p)+(1,928*f)+(1,547*c)+(0,908*a), където:

• w е количеството вода в продукта;
• p е количеството протеини в продукта;
• f е процентното съдържание на мазнини;
• c е процентът на въглехидратите;
• a е процентът на неорганичните компоненти.

Определете топлинния капацитет на топеното крема сирене Виола. За да направите това, изписваме желаните стойности от състава на продукта (тегло 140 грама):

• вода - 35 g;
• протеини - 12,9 g;
• мазнини - 25,8 g;
• въглехидрати - 6,96 g;
• неорганични компоненти - 21 g.

След това намираме с:

• c=(4.180*w)+(1.711*p)+(1.928*f)+(1.547*c)+(0.908*a)=(4.180*35)+(1.711*12.9)+(1.928*25 .8 ) + (1,547*6,96)+(0,908*21)=146,3+22,1+49,7+10,8+19,1=248 kJ/kg*ºC.

Винаги помнете, че:

• процесът на нагряване на метала е по-бърз от този на водата, тъй като има C P 2,5 пъти по-малко;
• ако е възможно, трансформирайте получените резултати в по-висок ред, ако условията позволяват;
• за да проверите резултатите, можете да използвате интернет и да потърсите изчисленото вещество;
• при еднакви експериментални условия ще се наблюдават по-значителни температурни промени в материали с ниска специфична топлина.