Specifični toplotni kapacitet: proračun količine toplote. Koliki je specifični toplotni kapacitet?

05.04.2019, 01:47

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 (pri 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

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 na kojoj se temperaturi 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 treba da se dovede telu (supstanci) ili odvoji 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).

Uređaji i pribor koji se koriste u radu:

2. Utezi.

3. Termometar.

4. Kalorimetar.

6. Kalorimetrijsko tijelo.

7. Pločice za domaćinstvo.

Cilj rada:

Naučite eksperimentalno odrediti specifični toplinski kapacitet tvari.

I. TEORIJSKI UVOD.

Toplotna provodljivost- prijenos topline sa više zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane kao rezultat sudara brzih molekula sa sporim, uslijed čega brzi molekuli prenose dio svoje energije na spore.

Promjena unutrašnje energije bilo kojeg tijela direktno je proporcionalna njegovoj masi i promjeni tjelesne temperature.

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

Veličina c koja karakteriše zavisnost promene unutrašnje energije tela tokom zagrevanja ili hlađenja od vrste supstance i spoljašnjih uslova naziva se specifični toplotni kapacitet tela.

(4)

Vrijednost C, koja karakterizira ovisnost tijela da apsorbira toplinu kada se zagrije i jednaka je odnosu količine toplote koja je prenesena tijelu i porasta njegove temperature, naziva se toplotni kapacitet tela.

C = c × m. (5)
(6)
Q = CDT (7)

Molarni toplotni kapacitet Cm, je količina topline potrebna za zagrijavanje jednog mola tvari za 1 Kelvin

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

Specifični toplinski kapacitet ovisi o prirodi procesa u kojem se zagrijava.

Jednačina toplotnog bilansa.

U toku razmene toplote, zbir toplote koju daju sva tela čija se unutrašnja energija smanjuje jednak je zbiru toplote koju primaju sva tela čija se unutrašnja energija povećava.

SQ odjel = SQ primanje (10)

Ako tijela čine zatvoreni sistem i između njih se odvija samo razmjena topline, tada je algebarski zbir primljene i zadane količine topline jednak 0.

SQ odjel + SQ prijem = 0.

primjer:

Izmjena topline uključuje tijelo, kalorimetar i tekućinu. Tijelo daje toplinu, kalorimetar i tekućina je primaju.

Q t = Q k + Q f

Q t = c t m t (T 2 – Q)

Q k = c k m k (Q – T 1)

Q f = c f m f (Q – T 1)

Gdje je Q(tau) ukupna konačna temperatura.

s t m t (T 2 -Q) = s do m do (Q- T 1) + s f m f (Q- T 1)

s t = ((Q - T 1)*(s do m do + s w m w)) / m t (T 2 - Q)

T = 273 0 + t 0 C

2. NAPREDAK RADA.

SVA VAGANJA SE IZVODE SA TAČNOŠĆU DO 0,1 g.

1. Odredite vaganjem masu unutrašnje posude, kalorimetar m 1.

2. Sipati vodu u unutrašnju posudu kalorimetra, izmeriti unutrašnje staklo zajedno sa izlivenom tečnošću m to.

3. Odrediti masu izlivene vode m = m do - m 1

4. Postavite unutrašnju posudu kalorimetra u vanjsku i izmjerite početnu temperaturu vode T 1.

5. Izvadite testno tijelo iz kipuće vode, brzo ga prebacite u kalorimetar, određujući T 2 - početnu temperaturu tijela, jednaka je temperaturi kipuće vode.

6. Dok miješate tekućinu u kalorimetru, pričekajte da temperatura prestane da raste: izmjerite konačnu (stalnu) temperaturu Q.

7. Uklonite testno tijelo iz kalorimetra, osušite ga filter papirom i odredite njegovu masu m 3 vaganjem na vagi.

8. Rezultate svih mjerenja i proračuna unesite u tabelu. Izvršite proračune do druge decimale.

9. Napravite jednačinu toplotnog bilansa i iz nje pronađite specifični toplotni kapacitet supstance With.

10. Na osnovu rezultata dobijenih u prijavi odrediti supstancu.

11. Izračunajte apsolutnu i relativnu grešku dobijenog rezultata u odnosu na tabelarni rezultat koristeći formule:

;

12. Zaključak o obavljenom poslu.

TABELA REZULTATA MJERENJA I PRORAČUNA

Specifična toplota je energija potrebna za povećanje temperature 1 grama čiste supstance za 1°. Parametar zavisi od njegovog hemijskog sastava i stanja agregacije: gasovito, tečno ili čvrsto. Nakon njegovog otkrića, započeo je novi krug razvoja termodinamike, nauke o energetskim tranzijentima koji se odnose na toplotu i funkcionisanje sistema.

obično, U proizvodnji se koriste specifični toplotni kapacitet i osnovna termodinamika radijatori i sistemi dizajnirani za hlađenje automobila, kao i u hemiji, nuklearnom inženjerstvu i aerodinamici. Ako želite znati kako se izračunava specifični toplinski kapacitet, pročitajte predloženi članak.

Prije nego što počnete izravno izračunavati parametar, trebali biste se upoznati s formulom i njenim komponentama.

Formula za izračunavanje specifičnog toplotnog kapaciteta je sljedeća:

• c = Q/(m*∆T)

Poznavanje veličina i njihovih simboličkih oznaka koje se koriste u proračunima je izuzetno važno. Međutim, potrebno je ne samo poznavati njihov vizualni izgled, već i jasno razumjeti značenje svakog od njih. Izračun specifičnog toplinskog kapaciteta tvari predstavljen je sljedećim komponentama:

ΔT je simbol koji označava postepenu promjenu temperature tvari. Simbol "Δ" se izgovara delta.

ΔT = t2–t1, gdje je

• t1 – primarna temperatura;
• t2 – konačna temperatura nakon promjene.

m – masa materije koja se koristi tokom zagrevanja (g).

Q – količina toplote (J/J)

Na osnovu CR, mogu se izvesti i druge jednadžbe:

• Q = m*kp*ΔT – količina toplote;
• m = Q/cr*(t2 - t1) – masa supstance;
• t1 = t2–(Q/tp*m) – primarna temperatura;
• t2 = t1+(Q/tp*m) – konačna temperatura.

Upute za izračunavanje parametra

1. Uzmite formulu za proračun: Toplotni kapacitet = Q/(m*∆T)
2. Zapišite originalne podatke.
3. Zamijenite ih u formulu.
4. Izvršite proračun i dobijte rezultat.

Kao primjer, izračunajmo nepoznatu tvar tešku 480 grama s temperaturom od 15ºC, koja se kao rezultat zagrijavanja (isporučuje 35 hiljada J) povećala na 250º.

Prema gore navedenim uputstvima, vršimo sljedeće radnje:

Zapišimo početne podatke:

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

Uzimamo formulu, zamjenjujemo vrijednosti i rješavamo:

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

Kalkulacija

Izračunajmo C P vodu i lim pod sledećim uslovima:

• m = 500 grama;
• t1 =24ºC i t2 = 80ºC – za vodu;
• t1 =20ºC i t2 =180ºC – za lim;
• Q = 28 hiljada J.

Prvo, odredimo ΔT za vodu i kalaj, redom:

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

Zatim nalazimo specifični toplotni kapacitet:

1. c=Q/(m*ΔTv)= 28 hiljada J/(500 g *56ºC) = 28 hiljada J/(28 hiljada g*ºC) = 1 J/g*ºC.
2. c=Q/(m*ΔTo)=28 hiljada J/(500 g*160ºC)=28 hiljada J/(80 hiljada g*ºC)=0,35 J/g*ºC.

Tako je specifični toplotni kapacitet vode bio 1 J/g *ºC, a kalaja 0,35 J/g*ºC. Iz ovoga možemo zaključiti da će se s jednakom vrijednošću uložene topline od 28 hiljada džula, kalaj zagrijati brže od vode, jer je njegov toplinski kapacitet manji.

Ne samo gasovi, tečnosti i čvrste materije, već i prehrambeni proizvodi imaju toplotni kapacitet.

Kako izračunati toplotni kapacitet hrane

Prilikom izračunavanja kapaciteta snage jednačina će poprimiti sljedeći oblik:

s=(4.180*w)+(1.711*p)+(1.928*f)+(1.547*c)+(0.908 *a), gdje je:

• w – količina vode u proizvodu;
• p – količina proteina u proizvodu;
• f – procenat masti;
• c – procenat ugljenih hidrata;
• a je procenat neorganskih komponenti.

Odredimo toplinski kapacitet Viola krem ​​sira. Da biste to učinili, ispišite tražene vrijednosti iz sastava proizvoda (težina 140 grama):

• voda – 35 g;
• proteini – 12,9 g;
• masti – 25,8 g;
• ugljeni hidrati – 6,96 g;
• neorganske komponente – 21 g.

Zatim nalazimo sa:

• s=(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.

Uvijek zapamtite da:

• Proces zagrijavanja metala je brži od procesa zagrijavanja vode, budući da jeste C P 2,5 puta manje;
• Ako je moguće, konvertujte rezultate u viši red ako uslovi dozvoljavaju;
• da biste provjerili rezultate, možete koristiti internet i pogledati izračunatu supstancu;
• pod jednakim eksperimentalnim uslovima, značajnije promene temperature će se uočiti za materijale sa niskim specifičnim toplotnim kapacitetom.