Capacitate de căldură
Capacitatea de căldură (adesea prescurtată Cp) este definită ca cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unei mase date a unei substanțe cu un grad Celsius. Capacitatea de căldură poate fi, de asemenea, definită ca energia necesară pentru a crește temperatura unui mol de substanță cu un grad Celsius (capacitatea de căldură molară) sau pentru a crește un gram dintr-o substanță cu un grad Celsius (capacitatea de căldură specifică).
Capacitatea de căldură este legată de capacitatea unei substanțe de a reține căldura și de viteza cu care se va încălzi sau se va răci. De exemplu, o substanță cu o capacitate termică redusă, cum ar fi fierul, se va încălzi și se va răci rapid, în timp ce o substanță cu o capacitate termică mare, cum ar fi apa, se încălzește și se răcește încet. Acesta este motivul pentru care într-o zi fierbinte de vară apa dintr-un lac rămâne rece, chiar dacă aerul de deasupra acestuia (care are o capacitate de căldură redusă) se încălzește rapid și de ce apa rămâne caldă noaptea după ce aerul s-a răcit.
Capacitate termică și calorimetrie
Calorimetria este studiul căldurii și al energiei termice. O calorie este o unitate de energie termică din sistemul britanic de măsurare. În sistemul metric, energia este măsurată în juli, iar o calorie este egală cu 4.184 juli. Când orice substanță este încălzită, cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii sale va depinde de masa obiectului, de compoziția obiectului și de cantitatea de schimbare de temperatură dorită. Schimbarea temperaturii, și nu temperaturile individuale de pornire și cele finale, contează atunci când se ia în considerare căldura. Ecuația care leagă aceste cantități este:
unde q este cantitatea de căldură (în jouli), m este masa obiectului (de obicei în grame), Cp este capacitatea de căldură (de obicei în jouli/grad de gram) și Δ T este schimbarea temperaturii (în grade Celsius ).
Cantitatea de căldură necesară depinde de masa care trebuie încălzită (adică este nevoie de mai multă energie termică pentru a încălzi o cantitate mare de apă decât o cantitate mică); identitatea substanței care trebuie încălzită (apa, de exemplu, are o capacitate termică mare și se încălzește încet, în timp ce metalele au capacități termice scăzute și se încălzesc rapid); și schimbarea temperaturii (necesită mai multă energie pentru a încălzi un obiect cu 60 de grade decât cu 20 de grade).
Capacitatea termică și legea conservării energiei
Calculele folosind capacitatea de căldură pot fi utilizate pentru a determina schimbarea temperaturii care va avea loc dacă două obiecte la temperaturi diferite sunt puse în contact unul cu celălalt. De exemplu, dacă o bucată de 50 g de aluminiu metalic (Cp = 0,9 J/g C) la o temperatură de 100 ° C este introdusă în 50 g de apă la 20 ° C, este posibil să se calculeze temperatura finală a aluminiului si apa. Aluminiul se va răci și apa se va încălzi până când cele două obiecte vor atinge aceeași temperatură. Apa va câștiga toată căldura pierdută de aluminiu pe măsură ce se răcește. Acesta este un rezultat al legii conservării energiei, care afirmă că energia nu poate fi nici creată, nici distrusă. Căldura pierdută de metal va fi
qlost = (50 grame) X (0,9 J/g ° C) X (100-T)
iar căldura câștigată de apă va fi
câștigat = (50 grame) X (4.184J/g ° C) X (T-20)
Aceste două ecuații sunt echivalente, deoarece căldura pierdută este egală cu căldura câștigată; temperatura finală a amestecului va fi de 27,8 ° C. Această temperatură finală este mult mai apropiată de temperatura inițială a apei, deoarece apa are o capacitate termică ridicată, iar aluminiul una scăzută.
Semnificația capacității termice ridicate a apei
Apa are una dintre cele mai mari capacități termice dintre toate substanțele. Este nevoie de multă energie termică pentru a modifica temperatura apei în comparație cu metalele. Cantitatea mare de apă de pe Pământ înseamnă că schimbările extreme de temperatură sunt rare pe Pământ în comparație cu alte planete. Dacă nu ar fi capacitatea termică ridicată a apei, corpurile umane (care conțin, de asemenea, o cantitate mare de apă) ar putea fi supuse unei mari variații de temperatură.
Resurse
CĂRȚI
Goldick, Howard D. Mecanica, căldura și corpul uman. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001.
Goldstein, Martin și Inge Goldstein. Frigiderul și universul: înțelegerea legilor energiei. Harvard University Press, 1993.
Maxwell, James Clerk. Teoria căldurii. Mineola, NY: Dover Publications, 2001.
Young, Hugh D. Sears și Zemansky’s University Physics. San Francisco, CA: Pearson Addison Wesley, 2004.
Citați acest articol