Specifik värmekapacitet: beräkning av mängden värme. Vad är den specifika värmekapaciteten?

05.04.2019, 01:47

Specifik värme

Värmekapacitet är mängden värme som absorberas av en kropp när den värms upp med 1 grad.

En kropps värmekapacitet anges med en stor latinsk bokstav MED.

Vad beror en kropps värmekapacitet på? Först och främst från dess massa. Det är klart att uppvärmning av till exempel 1 kilo vatten kommer att kräva mer värme än att värma 200 gram.

Hur är det med typen av ämne? Låt oss göra ett experiment. Låt oss ta två identiska kärl och efter att ha hällt vatten som väger 400 g i en av dem och vegetabilisk olja som väger 400 g i den andra, börjar vi värma dem med identiska brännare. Genom att observera termometerns avläsningar kommer vi att se att oljan värms upp snabbare. För att värma vatten och olja till samma temperatur måste vattnet värmas upp längre. Men ju längre vi värmer vattnet, desto mer värme får det från brännaren.

Det krävs alltså olika mängder värme för att värma samma massa av olika ämnen till samma temperatur. Mängden värme som krävs för att värma en kropp och därmed dess värmekapacitet beror på vilken typ av ämne som kroppen består av.

Så, till exempel, för att öka temperaturen på vatten som väger 1 kg med 1 °C, krävs en värmemängd som är lika med 4200 J, och för att värma samma massa solrosolja med 1 °C, en mängd värme som är lika med 1700 J krävs.

En fysisk storhet som visar hur mycket värme som krävs för att värma 1 kg av ett ämne med 1 °C kallas den specifika värmekapaciteten för detta ämne.

Varje ämne har sin egen specifika värmekapacitet, som betecknas med den latinska bokstaven c och mäts i joule per kilogram grad (J/(kg K)).

Den specifika värmekapaciteten för samma ämne i olika aggregationstillstånd (fast, flytande och gasformig) är olika. Till exempel är den specifika värmekapaciteten för vatten 4200 J/(kg K) och isens specifika värmekapacitet J/(kg K) ; aluminium i fast tillstånd har en specifik värmekapacitet på 920 J/(kg K), och i vätska - J/(kg K).

Observera att vatten har en mycket hög specifik värmekapacitet. Därför absorberar vatten i haven och oceaner, som värms upp på sommaren, en stor mängd värme från luften. Tack vare detta, på de platser som ligger nära stora vattendrag, är sommaren inte lika varm som på platser långt från vattnet.

Fasta ämnens specifik värmekapacitet

Tabellen visar medelvärdena för den specifika värmekapaciteten för ämnen i temperaturområdet från 0 till 10°C (om inte en annan temperatur anges)

Ämne	Specifik värmekapacitet, kJ/(kg K)
Fast kväve (vid t=-250°C)	0,46
Betong (vid t=20 °C)	0,88
Papper (vid t=20 °C)	1,50
Luft är fast (vid t=-193 °C)	2,0
Grafit	0,75
ekträd	2,40
Träd tall, gran	2,70
Bergsalt	0,92
Sten	0,84
Tegelsten (vid t=0 °C)	0,88

Specifik värmekapacitet hos vätskor

Ämne	Temperatur, °C
Bensin (B-70)	20	2,05
Vatten	1-100	4,19
Glycerol	0-100	2,43
Fotogen	0-100	2,09
Maskinolja	0-100	1,67
Solrosolja	20	1,76
Honung	20	2,43
Mjölk	20	3,94
Olja	0-100	1,67-2,09
Merkurius	0-300	0,138
Alkohol	20	2,47
Eter	18	3,34

Specifik värmekapacitet hos metaller och legeringar

Ämne	Temperatur, °C	Specifik värmekapacitet, kJ/(kg K)
Aluminium	0-200	0,92
Volfram	0-1600	0,15
Järn	0-100	0,46
Järn	0-500	0,54
Guld	0-500	0,13
Iridium	0-1000	0,15
Magnesium	0-500	1,10
Koppar	0-500	0,40
Nickel	0-300	0,50
Tenn	0-200	0,23
Platina	0-500	0,14
Leda	0-300	0,14
Silver	0-500	0,25
Stål	50-300	0,50
Zink	0-300	0,40
Gjutjärn	0-200	0,54

Specifik värmekapacitet hos smälta metaller och flytande legeringar

Ämne	Temperatur, °C	Specifik värmekapacitet, kJ/(kg K)
Kväve	-200,4	2,01
Aluminium	660-1000	1,09
Väte	-257,4	7,41
Luft	-193,0	1,97
Helium	-269,0	4,19
Guld	1065-1300	0,14
Syre	-200,3	1,63
Natrium	100	1,34
Tenn	250	0,25
Leda	327	0,16
Silver	960-1300	0,29

Specifik värmekapacitet hos gaser och ångor

vid normalt atmosfärstryck

Ämne	Temperatur, °C	Specifik värmekapacitet, kJ/(kg K)
Kväve	0-200	1,0
Väte	0-200	14,2
vattenånga	100-500	2,0
Luft	0-400	1,0
Helium	0-600	5,2
Syre	20-440	0,92
Kol(II)monoxid	26-200	1,0
Kolmonoxid	0-600	1,0
Alkoholånga	40-100	1,2
Klor	13-200	0,50

Vad tror du värms upp snabbare på spisen: en liter vatten i en kastrull eller själva kastrullen som väger 1 kilo? Kropparnas massa är densamma, det kan antas att uppvärmningen sker i samma takt.

Men så var det inte! Du kan göra ett experiment - lägg en tom kastrull på elden i några sekunder, bränn bara inte den och kom ihåg till vilken temperatur den värmdes upp. Och häll sedan i pannan exakt samma vikt vatten som vikten av pannan. I teorin bör vattnet värmas upp till samma temperatur som en tom panna på dubbelt så lång tid, eftersom de i det här fallet båda värmer upp - både vattnet och pannan.

Men även om du väntar tre gånger längre kommer du att vara övertygad om att vattnet fortfarande kommer att värmas mindre. Det kommer att ta vatten nästan tio gånger längre tid att nå samma temperatur som en kastrull med samma vikt. Varför händer det här? Vad hindrar vattnet från att värmas upp? Varför ska vi slösa extra gasvärmevatten när vi lagar mat? Eftersom det finns en fysisk storhet som kallas den specifika värmekapaciteten hos ett ämne.

Specifik värmekapacitet hos ett ämne

Detta värde visar hur mycket värme som måste överföras till en kropp som väger ett kilo för att dess temperatur ska öka med en grad Celsius. Mätt i J/(kg * ˚С). Detta värde existerar inte på grund av sitt eget infall, utan på grund av skillnaden i egenskaperna hos olika ämnen.

Den specifika värmen för vatten är ungefär tio gånger högre än den specifika värmen för järn, så pannan kommer att värmas upp tio gånger snabbare än vattnet i den. Det är konstigt att isens specifika värmekapacitet är hälften av vatten. Därför kommer isen att värmas upp dubbelt så snabbt som vatten. Att smälta is är lättare än att värma vatten. Hur konstigt det än låter så är det ett faktum.

Beräkning av värmemängd

Specifik värmekapacitet anges med bokstaven c Och används i formeln för att beräkna mängden värme:

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

där Q är mängden värme,
c - specifik värmekapacitet,
m - kroppsvikt,
t2 och t1 är de slutliga respektive initiala kroppstemperaturerna.

Formel för specifik värmekapacitet: c = Q / m*(t2 - t1)

Du kan också uttrycka från denna formel:

• m = Q / c*(t2-t1) - kroppsvikt
• t1 = t2 - (Q / c*m) - initial kroppstemperatur
• t2 = t1 + (Q / c*m) - slutlig kroppstemperatur
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - temperaturskillnad (delta t)

Hur är det med gasernas specifika värmekapacitet? Allt är mer förvirrande här. Med fasta ämnen och vätskor är situationen mycket enklare. Deras specifika värmekapacitet är ett konstant, känt och lätt beräknat värde. När det gäller den specifika värmekapaciteten hos gaser är detta värde mycket olika i olika situationer. Låt oss ta luft som exempel. Luftens specifika värmekapacitet beror på dess sammansättning, luftfuktighet och atmosfärstryck.

Samtidigt, när temperaturen ökar, ökar gasen i volym, och vi måste ange ett annat värde - konstant eller variabel volym, vilket också kommer att påverka värmekapaciteten. Därför, vid beräkning av mängden värme för luft och andra gaser, används speciella grafer över gasernas specifika värmekapacitet beroende på olika faktorer och förhållanden.

Varje skolbarn möter ett sådant koncept som "specifik värme" i fysiklektionerna. I de flesta fall glömmer folk skolans definition och förstår ofta inte innebörden av denna term alls. På tekniska universitet kommer de flesta studenter förr eller senare att stöta på specifik värmekapacitet. Kanske som en del av studiet av fysik, eller kanske någon kommer att ha en sådan disciplin som "termisk ingenjörskonst" eller "teknisk termodynamik". I det här fallet måste du komma ihåg skolans läroplan. Så nedan överväger vi definitionen, exempel, betydelser för vissa ämnen.

Definition

Specifik värmekapacitet är en fysisk storhet som kännetecknar hur mycket värme som måste tillföras eller avlägsnas från en ämnesenhet för att dess temperatur ska ändras med en grad. Det är viktigt att avbryta att det inte spelar någon roll, grader Celsius, Kelvin och Fahrenheit, huvudsaken är förändringen i temperatur per enhet.

Specifik värmekapacitet har sin egen måttenhet - i det internationella enhetssystemet (SI) - Joule, dividerat med produkten av ett kilogram och en grad Kelvin, J/(kg K); den icke-systemiska enheten är förhållandet mellan en kalori och produkten av ett kilogram och en grad Celsius, cal/(kg °C). Detta värde betecknas oftast med bokstaven c eller C; ibland används index. Till exempel, om trycket är konstant, är indexet p, och om volymen är konstant, då v.

Variationer av definition

Flera formuleringar av definitionen av den fysiska kvantiteten som diskuteras är möjliga. Utöver ovanstående är en acceptabel definition att specifik värmekapacitet är förhållandet mellan ett ämnes värmekapacitet och dess massa. I det här fallet är det nödvändigt att tydligt förstå vad "värmekapacitet" är. Så värmekapacitet är en fysisk storhet som visar hur mycket värme som måste tillföras en kropp (ämne) eller avlägsnas för att ändra dess temperatur med en. Den specifika värmekapaciteten för en ämnesmassa större än ett kilogram bestäms på samma sätt som för ett enhetsvärde.

Några exempel och betydelser för olika ämnen

Det har experimentellt fastställts att detta värde är olika för olika ämnen. Till exempel är vattnets specifika värmekapacitet 4,187 kJ/(kg K). Det största värdet av denna fysiska kvantitet för väte är 14.300 kJ/(kg K), det minsta för guld är 0.129 kJ/(kg K). Om du behöver ett värde för ett specifikt ämne, måste du ta en referensbok och hitta motsvarande tabeller, och i dem - värdena av intresse. Men modern teknik gör det möjligt att påskynda sökprocessen avsevärt - på vilken telefon som helst som har möjlighet att logga in på World Wide Web räcker det att skriva frågan om intresse i sökfältet, börja söka och leta efter svar baserat på resultaten. I de flesta fall måste du följa den första länken. Men ibland finns det ingen anledning att gå någon annanstans alls - svaret på frågan syns i en kort beskrivning av informationen.

De vanligaste ämnena för vilka värmekapacitet eftersträvas, inklusive specifik värme, är:

• luft (torr) - 1,005 kJ/(kg K),
• aluminium - 0,930 kJ/(kg K),
• koppar - 0,385 kJ/(kg K),
• etanol - 2,460 kJ/(kg K),
• järn - 0,444 kJ/(kg K),
• kvicksilver - 0,139 kJ/(kg K),
• syre - 0,920 kJ/(kg K),
• trä - 1 700 kJ/(kg K),
• sand - 0,835 kJ/(kg K).

Enheter och tillbehör som används i arbetet:

2. Vikter.

3. Termometer.

4. Kalorimeter.

6. Kalorimetrisk kropp.

7. Hushållsplattor.

Målet med arbetet:

Lär dig att experimentellt bestämma den specifika värmekapaciteten hos ett ämne.

I. TEORETISK INLEDNING.

Värmeledningsförmåga- överföring av värme från mer uppvärmda delar av kroppen till mindre uppvärmda till följd av kollisioner av snabba molekyler med långsamma, som ett resultat av vilka snabba molekyler överför en del av sin energi till långsamma.

Förändringen i den inre energin i en kropp är direkt proportionell mot dess massa och förändringen i kroppstemperatur.

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

Den kvantitet c som kännetecknar beroendet av förändringen i en kropps inre energi under uppvärmning eller nedkylning av typen av ämne och yttre förhållanden kallas kroppens specifika värmekapacitet.

(4)

Värdet C, som kännetecknar en kropps beroende av att absorbera värme vid upphettning och är lika med förhållandet mellan mängden värme som tillförs kroppen och ökningen av dess temperatur, kallas kroppens värmekapacitet.

C = c × m. (5)
(6)
Q = CDT (7)

Molär värmekapacitet Cm,är mängden värme som krävs för att värma en mol av ett ämne med 1 Kelvin

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

Specifik värmekapacitet beror på arten av den process i vilken den värms upp.

Värmebalansekvation.

Under värmeväxling är summan av värmemängderna som avges av alla kroppar vars inre energi minskar lika med summan av värmemängderna som tas emot av alla kroppar vars inre energi ökar.

SQ-avd = SQ-mottagning (10)

Om kropparna bildar ett slutet system och endast värmeväxling sker mellan dem, är den algebraiska summan av den mottagna och givna värmemängden lika med 0.

SQ avd + SQ mottagning = 0.

Exempel:

Värmeväxlingen involverar en kropp, en kalorimeter och en vätska. Kroppen avger värme, kalorimetern och vätskan tar emot den.

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)

Där Q(tau) är den totala sluttemperaturen.

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

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

T = 273 0 + t 0 C

2. ARBETSFRAMSTEG.

ALLA VÄGNINGAR UTFÖRS MED EN NOGGRANNHET UPP TILL 0,1 g.

1. Bestäm genom att väga massan på det inre kärlet, kalorimeter m 1.

2. Häll vatten i kalorimeterns innerkärl, väg det inre glaset tillsammans med den hällda vätskan m till.

3. Bestäm massan av hällt vatten m = m till - m 1

4. Placera kalorimeterns inre kärl i det yttre och mät den initiala temperaturen på vattnet T 1.

5. Ta bort testkroppen från det kokande vattnet, överför den snabbt till kalorimetern, bestäm T 2 - kroppens initiala temperatur, den är lika med temperaturen på kokande vatten.

6. Medan du rör om vätskan i kalorimetern, vänta tills temperaturen slutar öka: mät den slutliga (stabila) temperaturen Q.

7. Ta bort testkroppen från kalorimetern, torka den med filterpapper och bestäm dess massa m 3 genom att väga den på en våg.

8. Ange resultaten av alla mätningar och beräkningar i tabellen. Utför beräkningar till andra decimalen.

9. Skapa en värmebalansekvation och ta reda på ämnets specifika värmekapacitet utifrån den Med.

10. Bestäm ämnet utifrån de resultat som erhållits i ansökan.

11. Beräkna det absoluta och relativa felet för det erhållna resultatet i förhållande till tabellresultatet med hjälp av formlerna:

;

12. Slutsats om utfört arbete.

TABELL ÖVER MÄT- OCH BERÄKNINGSRESULTAT

Specifik värme är den energi som krävs för att höja temperaturen på 1 gram av ett rent ämne med 1°. Parametern beror på dess kemiska sammansättning och aggregationstillstånd: gasformig, flytande eller fast. Efter upptäckten började en ny utvecklingsrunda inom termodynamik, vetenskapen om energitransienter som relaterar till värme och systemets funktion.

Vanligtvis, specifik värmekapacitet och grundläggande termodynamik används vid tillverkningen radiatorer och system utformade för att kyla bilar, såväl som inom kemi, kärnteknik och aerodynamik. Om du vill veta hur specifik värmekapacitet beräknas, läs då den föreslagna artikeln.

Innan du börjar beräkna parametern direkt bör du bekanta dig med formeln och dess komponenter.

Formeln för att beräkna specifik värmekapacitet är följande:

• c = Q/(m*∆T)

Kunskap om kvantiteter och deras symboliska beteckningar som används i beräkningar är oerhört viktigt. Det är dock nödvändigt att inte bara känna till deras visuella utseende, utan också att tydligt förstå innebörden av var och en av dem. Beräkningen av den specifika värmekapaciteten för ett ämne representeras av följande komponenter:

ΔT är en symbol som indikerar en gradvis förändring av temperaturen hos ett ämne. Symbolen "Δ" uttalas delta.

ΔT = t2–t1, där

• t1 – primär temperatur;
• t2 – sluttemperatur efter byte.

m – massan av ämnet som används vid uppvärmning (g).

Q – mängd värme (J/J)

Baserat på CR kan andra ekvationer härledas:

• Q = m*кp*ΔT – mängd värme;
• m = Q/cr*(t2 - t1) – ämnets massa;
• t1 = t2–(Q/tp*m) – primär temperatur;
• t2 = t1+(Q/tp*m) – sluttemperatur.

Instruktioner för att beräkna parametern

1. Ta beräkningsformeln: Värmekapacitet = Q/(m*∆T)
2. Skriv ner originaldata.
3. Ersätt dem i formeln.
4. Utför beräkningen och få resultatet.

Som ett exempel, låt oss beräkna ett okänt ämne som väger 480 gram med en temperatur på 15ºC, som, som ett resultat av uppvärmning (tillför 35 tusen J), ökade till 250º.

Enligt instruktionerna ovan utför vi följande åtgärder:

Låt oss skriva ner de första uppgifterna:

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

Vi tar formeln, ersätter värdena och löser:

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

Beräkning

Låt oss göra beräkningen C P vatten och tenn under följande förhållanden:

• m = 500 gram;
• t1 =24ºC och t2 = 80ºC – för vatten;
• t1 =20ºC och t2 =180ºC – för tenn;
• Q = 28 tusen J.

Först bestämmer vi ΔT för vatten respektive tenn:

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

Sedan hittar vi den specifika värmekapaciteten:

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

Sålunda var den specifika värmekapaciteten för vatten 1 J/g *ºC och den för tenn 0,35 J/g*ºC. Av detta kan vi dra slutsatsen att med ett lika värde på värmetillförsel på 28 tusen Joule kommer tenn att värmas upp snabbare än vatten, eftersom dess värmekapacitet är lägre.

Inte bara gaser, vätskor och fasta ämnen, utan även livsmedelsprodukter har värmekapacitet.

Hur man beräknar matens värmekapacitet

Vid beräkning av effektkapacitet ekvationen kommer att ha följande form:

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

• w - mängd vatten i produkten;
• p – mängd proteiner i produkten;
• f – procentandel fett;
• c – procentandel kolhydrater;
• a är andelen oorganiska komponenter.

Låt oss bestämma värmekapaciteten hos Viola cream cheese. För att göra detta, skriv ut de nödvändiga värdena från produktens sammansättning (vikt 140 gram):

• vatten - 35 g;
• proteiner - 12,9 g;
• fetter - 25,8 g;
• kolhydrater - 6,96 g;
• oorganiska komponenter - 21 g.

Då hittar vi med:

• с=(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.

Kom alltid ihåg att:

• Uppvärmningsprocessen för metall är snabbare än för vatten, eftersom den har gjort det C P 2,5 gånger mindre;
• Om möjligt, omvandla resultaten till en högre ordning om förhållandena tillåter;
• för att kontrollera resultaten kan du använda Internet och titta på det beräknade ämnet;
• under lika experimentella förhållanden kommer mer signifikanta temperaturförändringar att observeras för material med låg specifik värmekapacitet.