Specifik varme i, hvad det består, hvordan det beregnes og eksempler

den specifik varme er mængden af ​​energi, som et gram af et bestemt stof skal absorbere for at øge temperaturen en grad Celsius. Det er en intensiv fysisk egenskab, da den ikke afhænger af den masse, der kun skal udtrykkes for et gram stof; det er imidlertid relateret til antallet af partikler og partikelmolekylerne såvel som de intermolekylære kræfter, der binder dem.

Mængden af ​​energi absorberet af stoffet udtrykkes i enheder af joule (J) og mindre almindeligt i kalorier (Cal). Generelt antages det, at energi absorberes gennem varme; Energien kan imidlertid komme fra en anden kilde, som f.eks. arbejde på stoffet (rigorisk omrøring, for eksempel).

Det øverste billede viser en tekande, hvorfra vanddampene, der genereres ved opvarmning, frigives. For at opvarme vandet skal det absorbere varme fra flammen under tekanna. Således som tiden går, og afhængigt af brandens intensitet, vil vandet koge, når det når sit kogepunkt.

Den specifikke varme fastslår, hvor meget energi vandet forbruger for hver grad ° C, der øger temperaturen. Denne værdi er konstant, hvis forskellige mængder vand opvarmes i samme tekande, da det som nævnt i begyndelsen er en intensiv ejendom.

Hvad varierer er den samlede mængde energi absorberet af hver opvarmede vandkrop, også kendt som varmekapaciteten. Jo større massen af ​​vand, der skal opvarmes (2, 4, 10, 20 liter), jo større er dens varmekapacitet; men dens specifikke varme er stadig den samme.

Denne egenskab afhænger af tryk, temperatur og volumen; dog med henblik på en simpel forståelse udelades deres tilsvarende variationer.

indeks

• 1 Hvad er den specifikke varme??
• 2 Hvordan beregnes den specifikke varme?
  • 2.1 Vand som reference
  • 2.2 Termisk ligevægt
  • 2.3 Matematisk udvikling
  • 2.4 Beregningseksempel
• 3 eksempler
  • 3.1 Vand
  • 3.2 Ice
  • 3.3 Aluminium
  • 3,4 jern
  • 3,5 luft
  • 3,6 sølv
• 4 referencer

Hvad er den specifikke varme?

Det blev defineret, hvad den specifikke varme betød for et givet stof. Imidlertid er dens sande betydning bedst udtrykt med dens formel, som tydeliggør gennem sine enheder, som er de involverede clearinger ved analyse af de variabler, som det afhænger af. Dens formel er:

Ce = Q / ΔT · m

Hvor Q er varmen absorberet, ΔT ændrer temperaturen, og m er stoffets masse; at ifølge definitionen svarer til et gram. Gør en analyse af dine enheder, du har:

Ce = J / ºC · g

Som også kan udtrykkes på følgende måder:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ºC · Kg

Den første er den enkleste, og det er med dette, at eksemplerne vil blive behandlet i de følgende afsnit.

Formlen angiver udtrykt mængden af ​​energi absorberet (J) med et gram stof med en grad ° C. Hvis du ville rydde den mængde energi, ville du nødt til at forlade ligningen J:

J = Ce · ºC · g

Det udtrykkes på en mere hensigtsmæssig måde og ifølge variablerne ville være:

Q = Ce · AT · m

Hvordan beregnes den specifikke varme?

Vand som reference

I den foregående formel repræsenterer m ikke et gram stof, fordi det allerede er implicit i Ce. Denne formel er meget nyttig til at beregne de specifikke varmer af forskellige stoffer gennem kalorimetri.

Hvordan? Ved hjælp af definitionen af ​​kalorier, hvilket er den mængde energi, der er nødvendig for at opvarme et gram vand fra 14,5 til 15,5 ° C; Dette svarer til 4,184 J.

Vands specifikke varme er unormalt høj, og denne egenskab bruges til at måle de specifikke varmer af andre stoffer, der kender værdien af ​​4,184 J.

Hvad betyder det at en bestemt varme er høj? Det modsætter sig betydelig modstand for at øge temperaturen, så den skal absorbere mere energi; det vil sige, at vandet skal opvarmes meget længere i forhold til andre stoffer, som i nærheden af ​​en varmekilde opvarmes næsten umiddelbart.

Af denne grund anvendes vandet i kalorimetriske målinger, da det ikke oplever pludselige temperaturændringer, når der absorberes den energi, der frigives fra kemiske reaktioner; eller i dette tilfælde kontakt med andet varmere materiale.

Termisk balance

Fordi vand skal absorbere en masse varme for at øge temperaturen, kan varme f.eks. Komme fra et varmt metal. Under hensyntagen til masserne af vand og metal vil der forekomme en varmeudveksling mellem begge dele, indtil de når termisk ligevægt.

Når dette sker, udlignes vand og metal temperaturer. Den varme, der frigives af det varme metal, er lig med det, der absorberes af vandet.

Matematisk udvikling

At vide dette, og med den sidste formel for Q, der netop er beskrevet, har vi:

Q_vand= -Q_metal

Det negative tegn angiver, at varmen frigives fra det varmeste krop (metal) til det koldeste legeme (vand). Hvert stof har sin egen specifikke varme Ce, og dens masse, så dette udtryk skal udvikles som følger:

Q_vand = Ce_vand · ΔT_vand · M_vand = - (Ce_metal · ΔT_metal · M_metal)

Det ukendte er Ce_metal, da i den termiske ligevægt er den endelige temperatur for både vandet og metalet det samme; Derudover er de indledende temperaturer af vandet og metallet kendt før kontakt, såvel som deres masser. Derfor må vi rydde Ce_metal:

EF_metal = (Ce_vand · ΔT_vand · M_vand) / (-ΔT_metal · M_metal)

Uden at glemme at Ce_vand det er 4.184 J / ºC · g. Hvis ΔT er udviklet_vand og ΔT_metal, det vil være (T_F - T_vand) og (T_F - T_metal). Vandet opvarmes, mens metallet afkøles, og derfor negerer det negative tegn til ΔT_metal opholder sig (T_metal - T_F). Ellers ΔT_metal ville have en negativ værdi for at være T_F mindre (koldere) end T_metal.

Ligningen er så endelig udtrykt på denne måde:

EF_metal = Ce_vand · (T_F - T_vand) · M_vand/ (T_metal - T_F) · M_metal

Og med det beregnes de specifikke varmer.

Beregningseksempel

Det har en kugle af et mærkeligt metal, der vejer 130g, og med en temperatur på 90ºC. Dette er nedsænket i en vandbeholder på 100g ved 25ºC, inde i en kalorimeter. Når termisk ligevægt er nået, bliver beholderens temperatur 40 ° C. Beregn metal Ce.

Den endelige temperatur, T_F, Det er 40ºC. Ved at kende de andre data kan du derefter bestemme Ce direkte:

EF_metal = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90-40) ºC · 130g

EF_metal = 0,965 J / ºC · g

Bemærk, at vandets specifikke varme er ca. fire gange så stor som metallet (4.184 / 0.965).

Når Ce er meget lille, jo større er tendensen til at varme op; som er relateret til dens termiske ledningsevne og diffusion. Et metal med højere Ce vil have tendens til at udløse eller miste mere varme, når det kommer i kontakt med et andet materiale, sammenlignet med et andet metal med lavere Ce.

eksempler

Specifikke varmer til forskellige stoffer er vist nedenfor.

vand

Vandsens specifikke varme er som sagt blevet 4,184 J / ºC · g.

Takket være denne værdi kan det gøre meget sol i havet, og vandet vil næppe fordampe i nogen mærkbar grad. Dette resulterer i en termisk forskel, der ikke påvirker havets liv. For eksempel når du går til stranden for at svømme, selvom det er solrig udenfor, kan du mærke en lavere, køligere temperatur i vandet.

Varmt vand skal også frigive en masse energi for at køle ned. I processen opvarmes det cirkulerende luftmasser, hvilket øger lidt temperaturerne (tempererede) i kystområderne i løbet af vintrene.

Et andet interessant eksempel er, at hvis vi ikke blev dannet af vand, kunne en dag i solen være dødelig, fordi temperaturerne i vores kroppe ville stige hurtigt.

Denne unikke værdi af Ce skyldes de intermolekylære brintbroer. Disse absorberer varme til at bryde, så de gemmer energi. Indtil de er ødelagte, kan vandmolekylerne ikke vibrere, hvilket øger den gennemsnitlige kinetiske energi, hvilket afspejles i en stigning i temperaturen.

is

Isens specifikke varme er 2.090 J / ºC · g. Ligesom vand har den en usædvanlig høj værdi. Dette betyder, at et isbjerge for eksempel vil skulle absorbere en stor mængde varme for at øge temperaturen. Imidlertid har nogle isbjerge i dag selv absorberet den varme, der er nødvendig for at smelte (latent fusionsvarme).

aluminium

Den specifikke varme i aluminium er 0,900 J / ºC · g. Det er lidt lavere end kuglens metal (0,965 J / ºC · g). Her absorberes varmen for at vibrere aluminiumets metalatomer i dets krystallinske strukturer, og ikke individuelle molekyler forbundet med intermolekylære kræfter.

jern

Jernens specifikke varme er 0,444 J / ºC · g. At være mindre end aluminium betyder, at det modstår mindre modstand ved opvarmning; det vil sige, før en brand bliver et stykke jern rødt, længe før et aluminiumstykke.

Aluminium, i modsætning til opvarmning, holder mad varmere, når den berømte aluminiumsfolie bruges til at pakke snacksne.

luft

Den specifikke varme i luften er ca. 1.003 J / ºC · g. Denne værdi er meget underlagt tryk og temperaturer, fordi den består af en gasblanding. Her absorberes varmen for at vibrere molekylerne nitrogen, ilt, kuldioxid, argon osv..

sølv

Endelig er den specifikke varme for sølv 0,234 J / ºC · g. Af alle de nævnte stoffer har den laveste værdi af Ce. Dette betyder, at et stykke sølv for jern og aluminium ville varme meget mere samtidig med de andre to metaller. Faktisk harmoniserer den med sin høje termiske ledningsevne.

referencer

1. Serway & Jewett. (2008). Fysik: til videnskab og teknik. (Syvende udgave), bind 1, cengage læring.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemi. (Ottende udgave). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5. november 2018). Specifik varmekapacitet i kemi. Hentet fra: thoughtco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Specifik varme. Hentet fra: scienceworld.wolfram.com
5. R Ship. (2016). Specifik varme. Georgia State University. Hentet fra: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Specifik varme Hentet fra: en.wikipedia.org