Специфичен топлински капацитет - механички инженеринг; физика
Пребарување на преглед
навигација
Пребарување
Специфичен капацитет за топлина
Во претходната глава се покажа дека супстанциите очигледно реагираат различно на снабдувањето со топлина или отстранувањето на топлината. Некои од нив ја менуваат својата температура многу силно како резултат, додека други покажуваат само релативно мала промена на температурата. Начинот на кој може да се одреди која количина на топлина треба да се додаде или отстрани за да се донесе одредена промена на температурата, ќе биде прикажан за вода како пример. За таа цел, водата од одредена количина (на пр. 1 килограм) се загрева со потопно грејач или котел и промената на температурата се бележи за време на ова.
Слика: Експеримент за да се испита температурното однесување на водата кога се загрева
Снабдувањето со топлина може да се одреди преку електричната моќност на грејачот за потопување, кој целосно се претвора во излезна топлина (= "количина на топлина по време"). Ако моќта на греење на потопниот грејач е, на пример, 500 W, тогаш 500 J топлинска енергија се претвораат во секунда и идеално исто така се целосно пренесени во водата. Така, од електричната енергија \ (P \) и времето на работа \ (t \), може да се одреди топлината \ (Q \) испорачана во ова време:
Временската оска може да се претвори во оска на топлинска енергија заснована на електрична енергија. Во експериментот, во принцип постои линеарен тек помеѓу испорачаната топлина и зголемувањето на температурата. Заради ова станува јасно дека додавањето на одредена количина на топлина \ (Q \) секогаш води кон иста промена на температурата \ (\ Делта Т \). Ова е независно од која температура се претпоставува. На пример, за зголемување на температурата од 20 ° C до 30 ° C, мора да се обезбеди иста количина на енергија како и за зголемување на температурата од 60 ° C до 70 ° C. Со течна вода, температурата нема (скоро) никакво влијание врз количината на топлина што треба да се конвертира за да предизвика одредена промена на температурата (повеќе за ова подоцна)!
Линеарното зголемување на температурата, исто така, покажува дека, на пример, двојно или тројно зголемување на температурата, исто така, бара двојно или тројно количество енергија. Количеството на топлина \ (Q \) и промената на температурата \ (\ Делта Т \) се последователно пропорционални едни на други:
Слика: Пропорционалност на испорачаната топлина и промена на температурата
Покрај количината на испорачана топлина, количината на вода што треба да се загрева има влијание и врз добиената промена на температурата. Секојдневното искуство со готвење покажува дека загревање на поголемо тело со вода, исто така, трае повеќе време (а со тоа и на топлинска енергија) отколку загревање на помало тело со вода. Експериментот објаснет погоре се спроведува и за различни количини на вода и соодветните ефекти врз температурниот профил кога се забележуваат загреани.
Експериментите покажуваат дека ако се загрее само половина од вистинската водена маса, потребна е само половина од оригиналната топлинска енергија за одредена промена на температурата или двојно поголема количина на топлина за соодветно двојно поголема водена маса. Замислете само дека двојната количина на вода е поделена на две помали количини на вода со иста големина и оригинална големина, а потоа и двете се загреваат истовремено со два грејачи за потопување. Генерално, ќе ви треба двојно поголема количина на топлина. Испорачаната количина на топлина \ (Q \) и водената маса што треба да се загреат \ (m \) се пропорционални едни на други:
Слика: Пропорционалност на испорачаната топлина и маса што треба да се загреат
И пропорционалностите помеѓу количината на топлина \ (Q \) и температурната промена \ (\ Делта Т \) или помеѓу количината на топлина \ (Q \) и масата \ (m \) сега може да се претворат во заедничка пропорционалност. Вкупната количина на топлина \ (Q \) е пропорционална на производот на промена на температурата \ (\ Делта Т \) и масата \ (м \):
Количникот на количината на топлина \ (Q \) и производот на масата \ (m \) и промената на температурата \ (\ Делта Т \) е постојан и може да се дефинира како константа на пропорционалност. Овој фактор на пропорционалност се нарекува специфичен топлински капацитет \ (c \) и зависи од материјалот.
Забележете дека физички точниот правопис на спецификацијата за промена на температурата не е во Целзиусови степени (° C), туку во Келвин (K). Сепак, ова нема никакво влијание врз чистата вредност на температурната промена, бидејќи нумеричката вредност на температурната промена во Келвин е иста како и за Целзиусови степени. Специфичниот топлински капацитет, следствено, ја има единицата \ (\ frac >> \), т.е. јасно покажува колку е потребна топлинска енергија по килограм материјал за да се зголеми температурата за 1 K (1 ° C).
Како параметар зависен од супстанции, специфичниот топлински капацитет \ (c \) ја опишува врската помеѓу конверзијата на топлина \ (Q \) и добиената промена на температурата \ (\ Делта Т \) за дадена маса \ (m \):
Заради зачувување на енергијата, горенаведената формула се однесува не само на загревањето на некоја материја, туку и на ладењето, при што температурата треба да се намали за одредена количина \ (\ Делта Т \). За ова, соодветната количина на топлина \ (Q \) мора да се извлече од супстанцијата. Бидејќи промената на температурата за време на ладењето е математички негативна, конверзијата на топлина е дадена и негативен знак. Алгебарскиот знак како резултат на конверзијата на топлина покажува дали топлината се додава или се отстранува од супстанцијата. Позитивен знак значи дека количината на топлина мора да се додаде на супстанцијата. Соодветно, со негативен знак, таа количина на топлина мора да се повлече од супстанцијата.
Специфичниот топлински капацитет на водата е \ (4.2 \ tfrac >> \) (се изговара: "четири точки два килоџула на килограм и Келвин"). Ова јасно значи дека за водена маса од 1 килограм, потребна е количина на топлина од 4,2 kJ за да се загрее водата за 1 ° C. Да се вратиме на примерот во претходниот дел, почвата има само специфичен топлински капацитет од околу \ (1 \ frac >> \). 4 пати поголема вредност за вода покажува дека е потребна 4 пати поголема топлина за иста промена на температурата. Спротивно на тоа, ова значи дека со истата топлинска конверзија, температурата на водата се менува само за една четвртина колку што е случај со земјата. Копнената маса се загрева многу побрзо кога се снабдува топлина или се лади побрзо кога се распрснува топлината. Горните слоеви на земјата побрзо ја прилагодуваат својата температура на околината отколку што е случај со водата. Ова е причината зошто водата на Големите езера околу градот Грин Беј останува релативно кул лето и релативно топла во зима. Ова резултира во веќе споменатата поблага клима на Грин Беј во споредба со Абердин.
Имајте на ум дека при експерименталното одредување на специфичниот топлински капацитет според горенаведената поставка за тестирање, се одредува поголема вредност отколку што материјата всушност има. Причината за ова е што топлината што ја дава грејачот за потопување не се напојува целосно во водата. Дел од оваа топлина се користи и за загревање на садот и околината. Ова значи дека водата има корист само од помалку топлинска енергија отколку што е теоретски пресметана. Погледнете го и поглавјето за калориметријата.
Слика: Дијаграм на проток на енергија за загревање на водата со потопно грејач
Забелешка: Калориската физичка количина, која сè уште се користи и денес, но повеќе не е дозволена, во врска со енергетската содржина на храната, исто така, има потекло од затоплувањето на водата. Количината на енергија потребна за зголемување на 1 g вода за 1 ° C беше дефинирана како 1 калорија (1 калорија). Соодветно на тоа, 1 калориум одговара на количина на енергија од 4,2 Ј. Сепак, почесто користената единица во овој контекст е килокалоријата (kcal), што следствено одговара на енергетската вредност од 4,2 kJ. Забележете дека кога станува збор за храна, ние често зборуваме само за калории, иако во повеќето случаи мислиме на килокалории.
Белешка: Терминот „капацитет“ во врска со „специфичниот топлински капацитет“ има за цел да ја означи способноста на објектот да апсорбира топлинска енергија без забележливо менување на температурата. Значи многу висок капацитет за складирање на топлина без голема промена на температурата. Терминот „капацитет“ е нешто несреќен со тоа што терминот „топлина“, од термодинамичка гледна точка, не е променлива на состојбата, туку т.н. променлива на процесот. Во строга смисла на зборот, топлината не може да се „складира“ никаде (видете во делот за топлина). Испорачаната топлинска енергија на крајот се складира во „внатрешна енергија“ или се повлекува од објектот кога се лади на штета на „внатрешната енергија“.