Capacitate termică specifică: calculul cantității de căldură. Care este capacitatea termică specifică

05.04.2019, 01:47

Căldura specifică

Capacitatea termică este cantitatea de căldură absorbită de un corp atunci când este încălzit cu 1 grad.

Capacitatea termică a corpului este indicată printr-o literă latină majusculă CU.

Ce determină capacitatea termică a unui corp? În primul rând, din masa sa. Este clar că încălzirea, de exemplu, a 1 kilogram de apă va necesita mai multă căldură decât încălzirea a 200 de grame.

Dar felul de substanță? Să facem un experiment. Să luăm două vase identice și, turnând apă cu o greutate de 400 g într-unul dintre ele și ulei vegetal cu o greutate de 400 g în celălalt, vom începe să le încălzim cu ajutorul arzătoarelor identice. Observând citirile termometrelor, vom vedea că uleiul se încălzește mai repede. Pentru a încălzi apa și uleiul la aceeași temperatură, apa trebuie încălzită mai mult timp. Dar cu cât încălzim mai mult apa, cu atât primește mai multă căldură de la arzător.

Astfel, pentru a încălzi aceeași masă de substanțe diferite la aceeași temperatură, sunt necesare cantități diferite de căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp și, în consecință, capacitatea acestuia de căldură depind de tipul de substanță din care este compus acest corp.

Deci, de exemplu, pentru a crește temperatura a 1 kg de apă cu 1 °C, este necesară o cantitate de căldură egală cu 4200 J și pentru a încălzi aceeași masă de ulei de floarea soarelui cu 1 °C, o cantitate de căldură egală cu Este necesar 1700 J.

Mărimea fizică care arată câtă căldură este necesară pentru a încălzi 1 kg dintr-o substanță cu 1 ° C se numește căldură specifică a acestei substanțe.

Fiecare substanță are propria sa capacitate termică specifică, care este notă cu litera latină c și se măsoară în jouli pe kilogram-grad (J / (kg K)).

Capacitatea termică specifică a aceleiași substanțe în diferite stări de agregat (solid, lichid și gazos) este diferită. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei este de 4200 J/(kg K) , și capacitatea termică specifică a gheții J/(kg K) ; aluminiul în stare solidă are o capacitate termică specifică de 920 J / (kg K), iar în lichid - J / (kg K).

Rețineți că apa are o capacitate termică specifică foarte mare. Prin urmare, apa din mări și oceane, încălzindu-se vara, absoarbe o cantitate mare de căldură din aer. Din acest motiv, în acele locuri care sunt situate în apropierea unor corpuri mari de apă, vara nu este la fel de caldă ca în locurile departe de apă.

Capacitatea termică specifică a solidelor

Tabelul arată valorile medii ale capacității termice specifice a substanțelor în intervalul de temperatură de la 0 la 10 ° C (dacă nu este indicată altă temperatură)

Substanţă	Capacitate termică specifică, kJ/(kg K)
Azot solid (la t=-250°С)	0,46
Beton (la t=20 °C)	0,88
Hârtie (la t=20 °C)	1,50
Aer solid (la t=-193 °C)	2,0
Grafit	0,75
stejar	2,40
Pin copac, molid	2,70
Sare gema	0,92
Piatră	0,84
Caramida (la t=0 °С)	0,88

Capacitatea termică specifică a lichidelor

Substanţă	Temperatura, °C
Benzină (B-70)	20	2,05
Apă	1-100	4,19
Glicerol	0-100	2,43
Kerosenul	0-100	2,09
Ulei de mașină	0-100	1,67
Ulei de floarea soarelui	20	1,76
Miere	20	2,43
Lapte	20	3,94
Ulei	0-100	1,67-2,09
Mercur	0-300	0,138
Alcool	20	2,47
Eter	18	3,34

Capacitatea termică specifică a metalelor și aliajelor

Substanţă	Temperatura, °C	Capacitate termică specifică, k J/(kg K)
Aluminiu	0-200	0,92
Tungsten	0-1600	0,15
Fier	0-100	0,46
Fier	0-500	0,54
Aur	0-500	0,13
Iridiu	0-1000	0,15
Magneziu	0-500	1,10
Cupru	0-500	0,40
Nichel	0-300	0,50
Staniu	0-200	0,23
Platină	0-500	0,14
Conduce	0-300	0,14
Argint	0-500	0,25
Oţel	50-300	0,50
Zinc	0-300	0,40
Fontă	0-200	0,54

Capacitatea termică specifică a metalelor topite și a aliajelor lichefiate

Substanţă	Temperatura, °C	Capacitate termică specifică, k J/(kg K)
Azot	-200,4	2,01
Aluminiu	660-1000	1,09
Hidrogen	-257,4	7,41
Aer	-193,0	1,97
Heliu	-269,0	4,19
Aur	1065-1300	0,14
Oxigen	-200,3	1,63
Sodiu	100	1,34
Staniu	250	0,25
Conduce	327	0,16
Argint	960-1300	0,29

Capacitatea termică specifică a gazelor și vaporilor

la presiunea atmosferică normală

Substanţă	Temperatura, °C	Capacitate termică specifică, k J/(kg K)
Azot	0-200	1,0
Hidrogen	0-200	14,2
vapor de apă	100-500	2,0
Aer	0-400	1,0
Heliu	0-600	5,2
Oxigen	20-440	0,92
Monoxid de carbon (II)	26-200	1,0
monoxid de carbon (IV)	0-600	1,0
Vaporii de alcool	40-100	1,2
Clor	13-200	0,50

Ce crezi că se încălzește mai repede pe aragaz: un litru de apă într-o cratiță sau cratița în sine care cântărește 1 kilogram? Masa corpurilor este aceeași, se poate presupune că încălzirea va avea loc în același ritm.

Dar nu era acolo! Puteți face un experiment - puneți o cratiță goală pe foc pentru câteva secunde, pur și simplu nu o ardeți și amintiți-vă la ce temperatură s-a încălzit. Și apoi turnați apă în tigaie de exact aceeași greutate cu greutatea tigaii. În teorie, apa ar trebui să se încălzească la aceeași temperatură ca o tigaie goală de două ori mai mult, deoarece în acest caz ambele sunt încălzite - atât apa, cât și tigaia.

Cu toate acestea, chiar dacă așteptați de trei ori mai mult, asigurați-vă că apa este încă mai puțin încălzită. Este nevoie de aproape zece ori mai mult pentru ca apa să se încălzească la aceeași temperatură ca o oală de aceeași greutate. De ce se întâmplă asta? Ce oprește apa să se încălzească? De ce ar trebui să risipim gaz suplimentar pentru a încălzi apa când gătim? Deoarece există o mărime fizică numită capacitatea termică specifică a unei substanțe.

Capacitatea termică specifică a unei substanțe

Această valoare arată câtă căldură trebuie transferată unui corp cu masa de un kilogram pentru ca temperatura acestuia să crească cu un grad Celsius. Se măsoară în J / (kg * ˚С). Această valoare există nu dintr-un capriciu, ci din cauza diferenței dintre proprietățile diferitelor substanțe.

Capacitatea termică specifică a apei este de aproximativ zece ori mai mare decât cea a fierului, așa că oala se va încălzi de zece ori mai repede decât apa din ea. În mod curios, capacitatea termică specifică a gheții este jumătate din cea a apei. Prin urmare, gheața se va încălzi de două ori mai repede decât apa. Topirea gheții este mai ușor decât încălzirea apei. Oricât de ciudat ar suna, este un fapt.

Calculul cantității de căldură

Capacitatea termică specifică este indicată prin literă cȘi utilizat în formula pentru calcularea cantității de căldură:

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

unde Q este cantitatea de căldură,
c - capacitatea termică specifică,
m - greutatea corporală,
t2 și t1 sunt, respectiv, temperaturile finale și inițiale ale corpului.

Formula specifică a căldurii: c = Q / m*(t2 - t1)

De asemenea, puteți exprima din această formulă:

• m = Q / c*(t2-t1) - greutatea corporală
• t1 = t2 - (Q / c*m) - temperatura initiala a corpului
• t2 = t1 + (Q / c*m) - temperatura finală a corpului
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - diferența de temperatură (delta t)

Dar capacitatea termică specifică a gazelor? Totul este mai confuz aici. Cu solide și lichide, situația este mult mai simplă. Capacitatea termică specifică a acestora este o valoare constantă, cunoscută, ușor de calculat. În ceea ce privește capacitatea termică specifică a gazelor, această valoare este foarte diferită în diferite situații. Să luăm aerul ca exemplu. Capacitatea termică specifică a aerului depinde de compoziție, umiditate și presiunea atmosferică.

În același timp, odată cu creșterea temperaturii, gazul crește în volum și trebuie să mai introducem o valoare - un volum constant sau variabil, care va afecta și capacitatea de căldură. Prin urmare, atunci când se calculează cantitatea de căldură pentru aer și alte gaze, sunt utilizate grafice speciale ale valorilor capacității termice specifice a gazelor în funcție de diferiți factori și condiții.

Fiecare școlar se întâlnește la lecțiile de fizică cu un concept precum „capacitate termică specifică”. În cele mai multe cazuri, oamenii uită definiția școlii și adesea nu înțeleg deloc sensul acestui termen. În universitățile tehnice, majoritatea studenților se vor confrunta mai devreme sau mai târziu cu căldură specifică. Poate, ca parte a studiului fizicii, sau poate cineva va avea o astfel de disciplină precum „ingineria termică” sau „termodinamica tehnică”. În acest caz, va trebui să vă amintiți programa școlară. Deci, mai jos este definiția, exemplele, semnificațiile pentru unele substanțe.

Definiție

Capacitatea termică specifică este o mărime fizică care caracterizează cât de multă căldură trebuie furnizată unei unități de substanță sau îndepărtată dintr-o unitate a unei substanțe pentru ca temperatura acesteia să se modifice cu un grad. Este important să anulați că nu contează dacă este Celsius, Kelvin sau Fahrenheit, principalul lucru este modificarea temperaturii pe unitate.

Capacitatea termică specifică are propria unitate de măsură - în sistemul internațional de unități (SI) - Joule împărțit la produsul unui kilogram și al unui grad Kelvin, J / (kg K); unitatea în afara sistemului este raportul dintre o calorie și produsul unui kilogram și un grad Celsius, cal/(kg °C). Această valoare este cel mai adesea notă cu litera c sau C, uneori se folosesc indici. De exemplu, dacă presiunea este constantă, atunci indicele este p, iar dacă volumul este constant, atunci v.

Variații de definiție

Sunt posibile mai multe formulări ale definiției mărimii fizice discutate. Pe lângă cele de mai sus, este considerată acceptabilă o definiție, care afirmă că capacitatea termică specifică este raportul dintre valoarea capacității termice a unei substanțe și masa acesteia. În acest caz, este necesar să înțelegeți clar ce este „capacitatea de căldură”. Deci, capacitatea termică se numește o cantitate fizică care arată câtă căldură trebuie adusă corpului (substanță) sau îndepărtată pentru a modifica valoarea temperaturii acestuia cu una. Capacitatea termică specifică a unei mase a unei substanțe mai mare de un kilogram se determină în același mod ca pentru o singură valoare.

Câteva exemple și semnificații pentru diferite substanțe

Sa constatat experimental că această valoare este diferită pentru diferite substanțe. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei este de 4,187 kJ/(kg K). Cea mai mare valoare a acestei marimi fizice pentru hidrogen este 14,300 kJ/(kg·K), cea mai mica valoare pentru aur este 0,129 kJ/(kg·K). Dacă aveți nevoie de o valoare pentru o anumită substanță, atunci trebuie să luați o carte de referință și să găsiți tabelele corespunzătoare, iar în ele - valorile care vă interesează. Cu toate acestea, tehnologiile moderne fac posibilă accelerarea procesului de căutare uneori - este suficient pe orice telefon care are opțiunea de a intra pe World Wide Web, tastați întrebarea de interes în bara de căutare, începeți căutarea și căutați răspuns pe baza rezultatelor. În cele mai multe cazuri, trebuie să faceți clic pe primul link. Cu toate acestea, uneori nu trebuie să mergeți în altă parte - răspunsul la întrebare este vizibil într-o scurtă descriere a informațiilor.

Cele mai comune substanțe pentru care se caută capacitatea termică, inclusiv căldura specifică, sunt:

• aer (uscat) - 1,005 kJ / (kg K),
• aluminiu - 0,930 kJ / (kg K),
• cupru - 0,385 kJ / (kg K),
• etanol - 2.460 kJ / (kg K),
• fier - 0,444 kJ / (kg K),
• mercur - 0,139 kJ / (kg K),
• oxigen - 0,920 kJ / (kg K),
• lemn - 1.700 kJ/(kg K),
• nisip - 0,835 kJ/(kg K).

Instrumente și accesorii utilizate în lucrare:

2. Greutăți.

3. Termometru.

4. Calorimetru.

6. Corp calorimetric.

7. Gresie de uz casnic.

Scopul lucrării:

Să învețe experimental să determine capacitatea termică specifică a unei substanțe.

I. INTRODUCERE TEORETICĂ.

Conductivitate termică- transferul de căldură din părțile mai încălzite ale corpului către cele mai puțin încălzite ca urmare a ciocnirii moleculelor rapide cu cele lente, în urma cărora moleculele rapide transferă o parte din energia lor către cele lente.

Modificarea energiei interne a oricărui corp este direct proporțională cu masa acestuia și cu modificarea temperaturii corpului.

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

Valoarea c care caracterizează dependența modificării energiei interne a corpului în timpul încălzirii sau răcirii de tipul de substanță și de condițiile externe se numește capacitatea termică specifică a corpului.

(4)

Valoarea C, care caracterizează dependența corpului de a absorbi căldura atunci când este încălzit și este egală cu raportul dintre cantitatea de căldură comunicată corpului și creșterea temperaturii acestuia, se numește capacitatea termică a corpului.

C = c × m. (5)
(6)
Q=CDT(7)

Capacitate termică molară C m , este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui mol dintr-o substanță cu 1 Kelvin

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

Capacitatea termică specifică depinde de natura procesului în care este încălzită.

Ecuația de echilibru termic.

În timpul transferului de căldură, suma cantităților de căldură cedate de toate corpurile, în care energia internă scade, este egală cu suma cantităților de căldură primite de toate corpurile, în care energia internă crește.

SQ out = SQ in (10)

Dacă corpurile formează un sistem închis și între ele are loc doar schimbul de căldură, atunci suma algebrică a cantităților de căldură primite și date este 0.

SQ out + SQ in = 0.

Exemplu:

Un corp, un calorimetru și un lichid participă la transferul de căldură. Corpul emite căldură, calorimetrul și lichidul primesc.

Q t \u003d Q k + Q f

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

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

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

Unde Q(tau) este temperatura finală totală.

cu t m t (T 2 -Q) \u003d cu la m la (Q- T 1) + cu f m f (Q- T 1)

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

T \u003d 273 0 + t 0 C

2. PROGRESUL LUCRĂRII.

TOATE CÂNTĂRIRI TREBUIE EFECTUATE CU PRECIZIȚIE DE 0,1 g.

1. Determinați cântărind masa vasului interior, calorimetrul m 1 .

2. Se toarnă apă în vasul interior al calorimetrului, se cântărește paharul interior împreună cu lichidul turnat m k.

3. Determinați masa apei turnate m \u003d m la - m 1

4. Așezați vasul interior al calorimetrului în vasul exterior și măsurați temperatura inițială a apei T 1 .

5. Scoateți corpul de testat din apa clocotită, transferați-l rapid la calorimetru, determinând T 2 - temperatura inițială a corpului, este egală cu temperatura apei clocotite.

6. În timp ce amestecați lichidul din calorimetru, așteptați până când temperatura încetează să crească: măsurați temperatura finală (constante) Q.

7. Scoateți corpul de testare din calorimetru, uscați-l cu hârtie de filtru și cântăriți-l pe o balanță pentru a-i determina masa m 3 .

8. Înregistrați rezultatele tuturor măsurătorilor și calculelor în tabel. Efectuați calcule până la a doua zecimală.

9. Faceți o ecuație de echilibru termic și găsiți din ea capacitatea termică specifică a unei substanțe Cu.

10. Pe baza rezultatelor obtinute, determinati substanta din aplicatie.

11. Calculați eroarea absolută și relativă a rezultatului obținut în raport cu rezultatul tabelar folosind formulele:

;

12. Concluzie despre munca depusă.

TABEL REZULTATELOR MĂSURĂRILOR ȘI CALCULUILOR

Capacitatea termică specifică este energia necesară pentru a crește temperatura a 1 gram dintr-o substanță pură cu 1°. Parametrul depinde de compoziția sa chimică și de starea de agregare: gazos, lichid sau solid. După descoperirea sa, a început o nouă rundă de dezvoltare a termodinamicii, știința proceselor de tranziție energetică care se referă la căldură și la funcționarea sistemului.

De obicei, capacitatea termică specifică și elementele de bază ale termodinamicii sunt utilizate în fabricație radiatoare și sisteme concepute pentru răcirea vehiculelor, precum și în chimie, inginerie nucleară și aerodinamică. Dacă doriți să știți cum se calculează capacitatea termică specifică, atunci consultați articolul propus.

Înainte de a continua cu calculul direct al parametrului, ar trebui să vă familiarizați cu formula și componentele sale.

Formula de calcul a capacității termice specifice este următoarea:

• с = Q/(m*∆T)

Cunoașterea cantităților și a denumirilor lor simbolice utilizate în calcul este extrem de importantă. Cu toate acestea, este necesar nu numai să le cunoaștem aspectul vizual, ci și să înțelegem clar semnificația fiecăruia dintre ele. Calculul capacității termice specifice a unei substanțe este reprezentat de următoarele componente:

ΔT este un simbol care denotă o schimbare treptată a temperaturii unei substanțe. Simbolul „Δ” este pronunțat ca o deltă.

ΔT = t2–t1, unde

• t1 este temperatura primară;
• t2 este temperatura finală după modificare.

m este masa substanței utilizate pentru încălzire (g).

Q - cantitatea de căldură (J / J)

Pe baza CR, pot fi derivate alte ecuații:

• Q \u003d m * cp * ΔT - cantitatea de căldură;
• m = Q/cr * (t2 - t1) - masa substanței;
• t1 = t2–(Q/цp*m) – temperatura primară;
• t2 = t1+(Q/цp*m) – temperatura finală.

Instrucțiuni pentru calcularea parametrului

1. Luați formula de calcul: capacitate termică \u003d Q / (m * ∆T)
2. Scrieți datele originale.
3. Conectați-le în formulă.
4. Faceți calculul și obțineți rezultatul.

De exemplu, să calculăm o substanță necunoscută care cântărește 480 de grame și are o temperatură de 15 ° C, care, ca urmare a încălzirii (furnizarea de 35 mii J), a crescut la 250 ° C.

Conform instrucțiunilor de mai sus, efectuăm următoarele acțiuni:

Scriem datele inițiale:

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

Luăm formula, înlocuim valorile și rezolvăm:

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

Calcul

Să facem calculul C P apă și cositor în următoarele condiții:

• m = 500 grame;
• t1 =24ºC și t2 = 80ºC - pentru apă;
• t1 =20ºC și t2 =180ºC - pentru cositor;
• Q = 28 mii J.

Mai întâi, determinăm ΔT pentru apă și, respectiv, staniu:

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

Apoi găsim capacitatea termică specifică:

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

Astfel, capacitatea termică specifică a apei a fost de 1 J/g*ºC, iar cea a staniului a fost de 0,35 J/g*ºC. Din aceasta putem concluziona că, cu o valoare egală a căldurii de intrare de 28 mii J, staniul se va încălzi mai repede decât apa, deoarece capacitatea sa de căldură este mai mică.

Capacitatea termică este deținută nu numai de gaze, lichide și solide, ci și de alimente.

Cum se calculează capacitatea termică a alimentelor

La calcularea capacităţii de putere ecuația va lua următoarea formă:

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

• w este cantitatea de apă din produs;
• p este cantitatea de proteine ​​din produs;
• f este procentul de grăsime;
• c este procentul de carbohidrați;
• a este procentul de componente anorganice.

Determinați capacitatea termică a cremă de brânză procesată Viola. Pentru a face acest lucru, scriem valorile dorite din compoziția produsului (greutate 140 grame):

• apă - 35 g;
• proteine ​​- 12,9 g;
• grăsimi - 25,8 g;
• carbohidrați - 6,96 g;
• componente anorganice - 21 g.

Apoi găsim cu:

• 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.

Amintiți-vă întotdeauna că:

• procesul de încălzire a metalului este mai rapid decât cel al apei, deoarece are C P de 2,5 ori mai puțin;
• dacă este posibil, transformați rezultatele obținute într-un ordin superior, dacă condițiile permit;
• pentru a verifica rezultatele, puteți folosi internetul și căutați substanța calculată;
• în condiții experimentale egale, se vor observa schimbări de temperatură mai semnificative la materialele cu căldură specifică scăzută.