Capacitate termică
Capacitate termică este capacitatea unui material de a absorbi căldura fără a reflecta direct totul ca o creștere a temperaturii. Ar trebui să citiți secțiunile despre căldură și temperatură ca fundal, iar secțiunea cu apă ar ajuta, de asemenea.
Deoarece căldura este adăugată în mod uniform pentru cantitățile similare de substanțe diferite, temperaturile lor pot crește la viteze diferite. De exemplu, metalele,
bun dirijori de căldură, arată că crește rapid temperatura când este încălzit. Este relativ ușor să încălziți un metal până când acesta luminează roșu. Pe de altă parte, apa poate absorbi multă căldură cu o creștere relativ mică a temperaturii. Izolator materiale (izolatori) sunt conductori de căldură foarte slabi și sunt folosiți pentru a izola materialele care trebuie păstrate la temperaturi diferite - cum ar fi interiorul casei dvs. din exterior.
Substanțele care absorb aceeași cantitate de căldură pot avea creșteri de temperatură diferite.
Acest grafic arată creșterea temperaturii pe măsură ce căldura este adăugată în același ritm la mase egale de aluminiu (Al) și apă (H2O). Temperatura apei crește mult mai încet decât cea a Al.
În metal, atomii de Al au doar energie cinetică de translație (deși această mișcare este cuplată puternic cu atomii vecini). Apa, pe de altă parte, se poate roti și vibra, de asemenea. Aceste grade de libertate de mișcare poate absorbi energia cinetică fără a o reflecta ca o creștere a temperaturii substanței.
Echiparea partiției Energiei
Majoritatea substanțelor respectă legea echiparea partiției energiei pe o gamă largă de temperaturi. Legea spune că energia tinde să fie distribuită în mod egal între toate gradele de libertate ale unei molecule și de translație, rotație și vibrație. Acest lucru are consecințe pentru substanțele cu mai mulți sau mai puțini atomi. În diagrama de mai jos, fiecare container reprezintă un grad de libertate. Situațiile pentru un 3-atom și un 10-atom
sunt prezentate molecule. Dacă se adaugă aceeași cantitate totală de energie termică la fiecare moleculă, molecula cu 3 atomi ajunge la mai multă energie în gradele sale de translație de libertate. Deoarece molecula cu 10 atomi are mai multe moduri de vibrație în care să stocheze energia cinetică, este mai puțin disponibil pentru a intra în modurile de translație și este cea mai mare parte a energiei de translație pe care o măsurăm ca temperatura.
Căldura specifică
Mai este încă un rafinament de făcut pentru a încălzi capacitatea. Evident, cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii unei cantități mari de substanță este mai mare decât cantitatea necesară pentru o cantitate mică din aceeași substanță.
Pentru a controla cantitatea, în general măsurăm și raportăm capacitățile de căldură ca căldura specifică, capacitatea termică pe unitate de masă.
Căldurile specifice dintr-o mulțime de substanțe au fost măsurate în diferite condiții. Acestea sunt înscrise în cărți on-line.
În general, alegem unități de J/gram sau KJ/Kg. Căldura specifică a apei lichide este de 4.184 J/g, care este, de asemenea, 4.184 KJ/Kg. Caloria este o unitate de căldură definită ca cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura de 1 cm 3 de apă cu 1ЛљC.
Căldura specifică
Căldura specifică este capacitatea de căldură pe unitate de masă.
Căldura specifică a apei este de 1 cal/gLљC = 4,184J/gLљC
Calculul modificărilor de căldură și temperatură
Căldura, q, necesare pentru ridicarea temperaturii unei mase, m, a unei substanțe cu o cantitate ΔT este
$$ q = mC \ Delta T = mC (T_f - T_i) $$
Unde C este căldura specifică și Tf și Tu sunt temperaturile finale și inițiale.
Panta unui grafic al temperaturii vs. căldura adăugată la o unitate de masă este de doar 1/C.
Folosind această formulă, este relativ ușor să calculați căldura adăugată, temperatura finală sau inițială sau căldura specifică în sine (așa se măsoară) dacă sunt cunoscute celelalte variabile.
Căldură adăugată pentru a obține o schimbare de temperatură
Căldura q adăugat sau evoluat pentru o schimbare de temperatură a unei mase m a unei substanțe cu căldură specifică C este
$$ q = mC \ Delta T = mC (T_f - T_i) $$
Unitățile de căldură specifice sunt de obicei J/mol · K (J · mol -1 K -1) sau J/g · K (J · g -1 · K · -1). Amintiți-vă că este OK să schimbați LљC cu K deoarece dimensiunea gradului Celsius și Kelvin sunt aceleași.
Exemplul 1
Calculați cantitatea de căldură (în Jouli) necesară pentru a schimba temperatura de 1 litru de apă (1 L = 1 Kg) de la 20ЛљC la 37ЛљC.
Capacitatea specifică de căldură (C) a apei este de 4.184 J/gЛљC (sau J/g · K - atâta timp cât lucrăm cu grade Celsius sau Kelvins, ΔT va fi la fel, deoarece dimensiunea celor două este aceeași. Fahrenheit este un grad mai mic). Ecuația de care avem nevoie este:
Conectând 1000 g pentru masa de 1 L de apă (gramul este definit ca masa de 1 ml de apă) și schimbarea temperaturii (37ЛљC - 20ЛљC), obținem:
$$ = (1000 \, g) \ left (4.185 \ frac \ right) (37 - 20) ЛљC $$
$$ = 71.128 \; J = \ bf 71 \; KJ $$
Când numărul de Jouli de energie depășește 1.000, în general exprimăm cantitatea în KiloJoules (KJ) pentru a simplifica numărul.
Exersează probleme
(Utilizați tabelul de mai jos pentru a căuta căderile specifice care lipsesc.)
| 1. | Câtă căldură (în Jouli) este nevoie pentru a crește temperatura de 100 g de H2O de la 22ЛљC la 98ЛљC? | Soluţie |
| 2. | Dacă este nevoie de 640 J de energie termică pentru a crește temperatura de 100 g dintr-o substanță cu 25ЛљC (fără a-și schimba faza), calculați căldura specifică a substanței. | Soluţie |
| 3. | Dacă se adaugă 80 J de căldură la 100 ml etanol [densitate (ρ) = 789 Kg · m -3] inițial la 10ЛљC, calculați temperatura finală a probei. | Soluţie |
Soluția problemei 1
Soluția problemei 2
Rearanjați ecuația căldurii pentru a rezolva pentru C:
$$ q = mC \ Delta T \; \ longrightarrow \; C = \ frac $$
Notă: atunci când calculați Δ T, este „OK pentru a utiliza fie grade Celsius, fie Kelvins, deoarece dimensiunea și, prin urmare, orice diferență, vor fi aceleași. Totuși, totul se destramă odată cu Fahrenheit.
Soluția problemei 3
Mai întâi rearanjați ecuația căldurii pentru a rezolva temperatura finală.
$$ \ begin q = mC \ Delta T \; & \ longrightarrow \; T_f - T_i = \ frac \\ & \ longrightarrow T_f = \ frac + T_i \ end $$
Acum calculați numărul de grame de etanol folosind densitatea și având grijă să urmați unitățile.
Căldura (entalpia) de schimbare de fază
. sau, dacă ne încălzim sau ne răcim printr-o temperatură de schimbare de fază
Schimbările de fază sunt o sursă mare sau o chiuvetă de căldură. Iată, de exemplu, curba de încălzire a apei.
Arată creșterea temperaturii pe măsură ce căldura este adăugată constant la apă. Iată ce se întâmplă în regiuni A-E:
A. Căldura este adăugată la apa solidă (gheață) sub 0ЛљC, iar temperatura acesteia crește constant.
B. Gheața solidă este topită în apă lichidă. În timpul adăugării căldurii latente de fuziune (ΔHf), dar se observă creșterea temperaturii, dar legăturile de hidrogen care țin gheața împreună se rup.