- ความร้อนจำเพาะคืออะไร?
- ความร้อนจำเพาะคำนวณอย่างไร?
- น้ำเป็นข้อมูลอ้างอิง
- สมดุลทางความร้อน
- พัฒนาการทางคณิตศาสตร์
- ตัวอย่างการคำนวณ
- ตัวอย่าง
- น้ำ
- น้ำแข็ง
- อลูมิเนียม
- เหล็ก
- อากาศ
- เงิน
- อ้างอิง
ความร้อนที่เฉพาะเจาะจงเป็นปริมาณของพลังงานที่จะถูกดูดซึมหนึ่งกรัมของสารเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของมัน โดย หนึ่งองศาเซลเซียส เป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่เข้มข้นเนื่องจากไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลเนื่องจากมีการแสดงออกสำหรับสารหนึ่งกรัมเท่านั้น อย่างไรก็ตามมันเกี่ยวข้องกับจำนวนอนุภาคและมวลโมลาร์ตลอดจนแรงระหว่างโมเลกุลที่ผูกมัดพวกมัน
ปริมาณพลังงานที่สารดูดซึมจะแสดงเป็นหน่วยจูล (J) และโดยทั่วไปจะเป็นแคลอรี่ (Cal) น้อยกว่า โดยทั่วไปจะถือว่าพลังงานถูกดูดซึมผ่านความร้อน อย่างไรก็ตามพลังงานอาจมาจากแหล่งอื่นเช่นงานที่ทำกับสาร (เช่นการกวนอย่างเข้มงวด)
น้ำเดือด. ที่มา: Pixabay
ภาพด้านบนแสดงกาต้มน้ำที่ไอน้ำที่เกิดจากความร้อนถูกปล่อยออกมา ในการทำให้น้ำร้อนจะต้องดูดซับความร้อนจากเปลวไฟที่อยู่ใต้กาต้มน้ำ ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปและขึ้นอยู่กับความรุนแรงของไฟน้ำจะเดือดเมื่อถึงจุดเดือด
ความร้อนจำเพาะจะกำหนดปริมาณน้ำที่ใช้พลังงานในแต่ละองศาºCที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่านี้จะคงที่หากปริมาณน้ำที่แตกต่างกันได้รับความร้อนในกาต้มน้ำเดียวกันเนื่องจากตามที่กล่าวไว้ตอนต้นเป็นคุณสมบัติที่เข้มข้น
สิ่งที่แตกต่างกันคือปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ดูดซับโดยมวลของน้ำอุ่นแต่ละชนิดหรือที่เรียกว่าความจุความร้อน ยิ่งมวลน้ำอุ่นมากขึ้น (2, 4, 10, 20 ลิตร) ความจุความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้น แต่ความร้อนจำเพาะยังคงเหมือนเดิม
คุณสมบัตินี้ขึ้นอยู่กับความดันอุณหภูมิและปริมาตร อย่างไรก็ตามเพื่อความเข้าใจง่ายรูปแบบที่เกี่ยวข้องจะถูกละเว้น
ความร้อนจำเพาะคืออะไร?
ความร้อนจำเพาะหมายถึงอะไรสำหรับสารที่กำหนด อย่างไรก็ตามความหมายที่แท้จริงของมันแสดงได้ดีกว่าด้วยสูตรซึ่งทำให้ชัดเจนผ่านหน่วยของมันซึ่งเป็นช่องว่างที่เกี่ยวข้องเมื่อวิเคราะห์ตัวแปรที่ขึ้นอยู่ สูตรของมันคือ:
Ce = Q / ΔTม
โดยที่ Q คือความร้อนที่ดูดซับΔTการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและ m คือมวลของสาร ตามคำจำกัดความสอดคล้องกับกรัม ทำการวิเคราะห์หน่วยที่เรามี:
Ce = J / ºC·ก
ซึ่งสามารถแสดงออกได้ด้วยวิธีต่อไปนี้:
Ce = kJ / K ก
Ce = J / ºC·กก
ข้อแรกเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและเป็นตัวอย่างที่จะนำเสนอในส่วนต่อไปนี้
สูตรนี้ระบุปริมาณพลังงานที่ดูดซับ (J) อย่างชัดเจนโดยสารหนึ่งกรัมในหนึ่งองศาºC ถ้าเราต้องการล้างพลังงานจำนวนนี้เราจะต้องทิ้งสมการ J ไว้:
J = Ce ·ºC·ก
ที่แสดงออกในวิธีที่เหมาะสมกว่าและตามตัวแปรจะเป็น:
Q = Ce ΔTม
ความร้อนจำเพาะคำนวณอย่างไร?
น้ำเป็นข้อมูลอ้างอิง
ในสูตรข้างต้น 'm' ไม่ได้แสดงถึงกรัมของสารเนื่องจากพบโดยปริยายใน Ce แล้วสูตรนี้มีประโยชน์มากสำหรับการคำนวณความร้อนเฉพาะของสารต่างๆผ่านการวัดความร้อน
อย่างไร? ใช้คำจำกัดความของแคลอรี่ซึ่งเป็นปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการให้ความร้อนแก่น้ำหนึ่งกรัมจาก 14.5 ถึง15.5ºC นี่เท่ากับ 4,184 J.
ความร้อนจำเพาะของน้ำสูงผิดปกติและคุณสมบัตินี้ใช้ในการวัดความร้อนจำเพาะของสารอื่นที่ทราบค่า 4.184 J.
ความร้อนจำเพาะสูงหมายความว่าอย่างไร? มันมีความต้านทานสูงมากในการเพิ่มอุณหภูมิดังนั้นจึงต้องดูดซับพลังงานมากขึ้น นั่นคือน้ำต้องได้รับความร้อนนานกว่ามากเมื่อเทียบกับสารอื่น ๆ ซึ่งในบริเวณใกล้เคียงกับแหล่งความร้อนจะร้อนขึ้นเกือบจะในทันที
ด้วยเหตุนี้น้ำจึงถูกใช้ในการวัดความร้อนเนื่องจากไม่พบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกะทันหันเมื่อดูดซับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเคมี หรือในกรณีนี้จากการสัมผัสกับวัสดุอื่นที่ร้อนกว่า
สมดุลทางความร้อน
เนื่องจากน้ำจำเป็นต้องดูดซับความร้อนจำนวนมากเพื่อเพิ่มอุณหภูมิความร้อนอาจมาจากโลหะร้อนเป็นต้น เมื่อคำนึงถึงมวลของน้ำและโลหะการแลกเปลี่ยนความร้อนจะเกิดขึ้นระหว่างกันจนกว่าจะถึงสิ่งที่เรียกว่าสมดุลทางความร้อน
เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้อุณหภูมิของน้ำและโลหะจะเท่ากัน ความร้อนที่ได้รับจากโลหะร้อนจะเท่ากับน้ำที่ดูดเข้าไป
พัฒนาการทางคณิตศาสตร์
เมื่อรู้สิ่งนี้และด้วยสูตรสุดท้ายสำหรับ Q ที่อธิบายไว้เรามี:
Q Water = -Q โลหะ
เครื่องหมายลบแสดงว่าความร้อนถูกปล่อยออกจากตัวเครื่องที่อุ่นขึ้น (โลหะ) ไปยังตัวทำความเย็น (น้ำ) สารแต่ละชนิดมีความร้อนจำเพาะของตัวเอง Ce และมวลดังนั้นจึงต้องพัฒนานิพจน์นี้ดังนี้
Q Water = Ce Water ·ΔT Water · m Water = - (Ce Metal ·ΔT Metal · m Metal )
สิ่งที่ไม่รู้จักคือ Ce Metalเนื่องจากในสภาวะสมดุลทางความร้อนอุณหภูมิสุดท้ายของทั้งน้ำและโลหะจะเท่ากัน นอกจากนี้ยังทราบอุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำและโลหะก่อนสัมผัสรวมทั้งมวลของมัน ดังนั้นจึงต้องล้าง Ce Metal :
Ce Metal = (Ce Water ·ΔT Water · m Water ) / (-ΔT Metal · m โลหะ )
โดยไม่ลืมว่า Ce Waterคือ 4.184 J / ºC· g. หากพัฒนาΔT WaterและΔT Metalเราจะมี (T f - T Water ) และ (T f - T Metal ) ตามลำดับ น้ำจะร้อนขึ้นในขณะที่โลหะเย็นลงและนั่นคือสาเหตุที่เครื่องหมายลบคูณ T Metalออกไป (T Metal - T f ) มิฉะนั้นΔT โลหะจะมีค่าติดลบเพราะมันเป็น T ฉขนาดเล็ก (ที่หนาวเย็นกว่า) T โลหะ
ในที่สุดสมการจะแสดงด้วยวิธีนี้:
Ce Metal = Ce Water · (T f - T Water ) · m น้ำ / (T Metal - T f ) · m โลหะ
และด้วยความร้อนที่เฉพาะเจาะจงจะถูกคำนวณ
ตัวอย่างการคำนวณ
มีโลหะทรงกลมทรงกลมที่มีน้ำหนัก 130 กรัมและมีอุณหภูมิ90ºC แช่อยู่ในภาชนะบรรจุน้ำ 100 กรัมที่อุณหภูมิ25ºCภายในแคลอริมิเตอร์ เมื่อถึงสมดุลความร้อนอุณหภูมิของภาชนะจะกลายเป็น 40 ° C คำนวณ Ce ของโลหะ
อุณหภูมิสุดท้าย T fคือ 40 ° C เมื่อทราบข้อมูลอื่นแล้ว Ce สามารถกำหนดได้โดยตรง:
Ce Metal = (4,184 J / ºC· g · (40 - 25) ºC· 100g) / (90 - 40) ºC· 130g
Ce โลหะ = 0.965 J / ºC· g
สังเกตว่าความร้อนจำเพาะของน้ำนั้นสูงกว่าโลหะประมาณสี่เท่า (4.184 / 0.965)
เมื่อ Ce มีขนาดเล็กมากยิ่งมีแนวโน้มที่จะร้อนขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับการนำความร้อนและการแพร่กระจาย โลหะที่มีค่า Ce สูงกว่ามักจะปล่อยหรือสูญเสียความร้อนมากกว่าเมื่อสัมผัสกับวัสดุอื่นเมื่อเทียบกับโลหะอื่นที่มีค่า Ce ต่ำกว่า
ตัวอย่าง
ความร้อนเฉพาะสำหรับสารต่าง ๆ แสดงไว้ด้านล่าง
น้ำ
ความร้อนจำเพาะของน้ำตามที่ระบุไว้คือ 4.184 J / ° C · g
ด้วยค่านี้ทำให้สามารถรับแสงแดดได้มากในมหาสมุทรและน้ำแทบจะไม่ระเหยในระดับที่เห็นได้ชัด ส่งผลให้เกิดความแตกต่างทางความร้อนที่ไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตในทะเล ตัวอย่างเช่นเมื่อคุณไปที่ชายหาดเพื่อว่ายน้ำแม้ว่าข้างนอกจะมีแดดจัดมากน้ำก็จะมีอุณหภูมิต่ำลงและเย็นลง
น้ำร้อนยังต้องปล่อยพลังงานจำนวนมากเพื่อทำให้ตัวเองเย็นลง ในกระบวนการดังกล่าวจะให้ความร้อนแก่มวลอากาศที่หมุนเวียนทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น (พอสมควร) ในบริเวณชายฝั่งในช่วงฤดูหนาว
อีกตัวอย่างหนึ่งที่น่าสนใจก็คือถ้าเราไม่ได้ทำจากน้ำวันที่มีแสงแดดอาจถึงตายได้เพราะอุณหภูมิในร่างกายของเราจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว
ค่าเฉพาะของ Ce นี้เกิดจากพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล สิ่งเหล่านี้ดูดซับความร้อนไม่ให้สลายดังนั้นจึงกักเก็บพลังงาน จนกว่าจะแตกโมเลกุลของน้ำจะไม่สามารถสั่นสะเทือนเพิ่มพลังงานจลน์เฉลี่ยซึ่งสะท้อนให้เห็นจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
น้ำแข็ง
ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็งคือ 2,090 J / ºC· g เช่นเดียวกับน้ำมีมูลค่าสูงผิดปกติ ซึ่งหมายความว่าภูเขาน้ำแข็งจะต้องดูดซับความร้อนจำนวนมหาศาลเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ อย่างไรก็ตามภูเขาน้ำแข็งบางแห่งในปัจจุบันได้ดูดซับความร้อนที่จำเป็นในการละลาย (ความร้อนแฝงของฟิวชั่น)
อลูมิเนียม
ความร้อนจำเพาะของอลูมิเนียมคือ 0.900 J / ºC· g มันต่ำกว่าโลหะในทรงกลมเล็กน้อย (0.965 J / ºC· g) ที่นี่ความร้อนจะถูกดูดซับเพื่อสั่นสะเทือนอะตอมของโลหะของอะลูมิเนียมในโครงสร้างผลึกไม่ใช่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลที่จับกันด้วยแรงระหว่างโมเลกุล
เหล็ก
ความร้อนจำเพาะของเหล็กคือ 0.444 J / ºC· g น้อยกว่าอลูมิเนียมหมายความว่ามีความต้านทานน้อยกว่าเมื่อถูกความร้อน นั่นคือก่อนจุดไฟเหล็กชิ้นหนึ่งจะกลายเป็นสีแดงร้อนเร็วกว่าชิ้นส่วนอลูมิเนียม
อะลูมิเนียมทนความร้อนได้ดีกว่าทำให้อาหารร้อนนานขึ้นเมื่อใช้อลูมิเนียมฟอยล์ห่อขนม
อากาศ
ความร้อนจำเพาะของอากาศอยู่ที่ประมาณ 1.003 J / ºC· g ค่านี้ขึ้นอยู่กับความกดดันและอุณหภูมิสูงเนื่องจากประกอบด้วยส่วนผสมของก๊าซ ที่นี่ความร้อนจะถูกดูดซับเพื่อสั่นสะเทือนโมเลกุลของไนโตรเจนออกซิเจนคาร์บอนไดออกไซด์อาร์กอน ฯลฯ
เงิน
ในที่สุดความร้อนจำเพาะของเงินคือ 0.234 J / ºC· g จากสารทั้งหมดที่กล่าวมามีค่า Ce ต่ำที่สุดซึ่งหมายความว่าเมื่อต้องเผชิญกับเหล็กและอลูมิเนียมชิ้นเงินจะร้อนขึ้นมากในเวลาเดียวกันกับโลหะอีกสองชนิด ในความเป็นจริงมันกลมกลืนกับการนำความร้อนสูง
อ้างอิง
- Serway & Jewett (2008) ฟิสิกส์: สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม (พิมพ์ครั้งที่เจ็ด) เล่ม 1 Cengage Learning.
- Whitten, Davis, Peck, Stanley (2008) เคมี. (พิมพ์ครั้งที่แปด). การเรียนรู้ Cengage
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 พฤศจิกายน 2561). ความจุความร้อนจำเพาะทางเคมี ดึงมาจาก: thoughtco.com
- Eric W. Weisstein (2007) ความร้อนจำเพาะ. สืบค้นจาก: scienceworld.wolfram.com
- R เรือ (2016) ความร้อนจำเพาะ. มหาวิทยาลัยแห่งรัฐจอร์เจีย สืบค้นจาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- วิกิพีเดีย (2019) ความร้อนจำเพาะ. สืบค้นจาก: es.wikipedia.org