ความจุความร้อน: สูตรหน่วยและมาตรการ - กายภาพ - 2026

ความจุความร้อนของร่างกายหรือระบบคือความฉลาดทางระหว่างพลังงานความร้อนที่ส่งให้กับร่างกายที่และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมันมีประสบการณ์ในกระบวนการนั้น คำจำกัดความที่แม่นยำยิ่งขึ้นอีกประการหนึ่งคือหมายถึงความร้อนที่จำเป็นในการส่งไปยังร่างกายหรือระบบเพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นหนึ่งองศาเคลวิน

มันเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องที่ร่างกายที่ร้อนที่สุดจะยอมให้ความร้อนแก่ร่างกายที่เย็นกว่าในกระบวนการที่คงอยู่ตราบเท่าที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายทั้งสองที่สัมผัสกัน จากนั้นความร้อนคือพลังงานที่ส่งผ่านจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่งโดยข้อเท็จจริงง่ายๆว่ามีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทั้งสอง

ตามแบบแผนความร้อนบวก (Q) ถูกกำหนดให้เป็นความร้อนที่ถูกดูดซับโดยระบบและเป็นความร้อนเชิงลบที่ถูกถ่ายเทโดยระบบ

จากที่กล่าวมานั้นไม่ใช่ว่าวัตถุทั้งหมดจะดูดซับและกักเก็บความร้อนได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นวัสดุบางชนิดจึงร้อนได้ง่ายกว่าวัสดุอื่น ๆ

ควรคำนึงว่าในที่สุดความจุความร้อนของร่างกายขึ้นอยู่กับลักษณะและองค์ประกอบของมัน

สูตรหน่วยและมาตรการ

ความจุความร้อนสามารถกำหนดได้โดยเริ่มจากนิพจน์ต่อไปนี้:

C = dQ / dT

หากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงน้อยพอนิพจน์ก่อนหน้านี้สามารถทำให้ง่ายขึ้นและแทนที่ด้วยสิ่งต่อไปนี้:

C = Q / ΔT

ดังนั้นหน่วยวัดความจุความร้อนในระบบสากลคือจูลต่อเคลวิน (J / K)

ความจุความร้อนสามารถวัดความดันคงที่ C _Pหรือคงที่ปริมาณ C วี

ความร้อนจำเพาะ

บ่อยครั้งความจุความร้อนของระบบขึ้นอยู่กับปริมาณของสารหรือมวลของมัน ในกรณีนี้เมื่อระบบประกอบด้วยสารเดี่ยวที่มีลักษณะเป็นเนื้อเดียวกันจำเป็นต้องใช้ความร้อนจำเพาะหรือที่เรียกว่าความจุความร้อนจำเพาะ (c)

ดังนั้นความร้อนจำเพาะมวลคือปริมาณความร้อนที่ต้องจ่ายให้กับมวลต่อหน่วยของสารเพื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้นหนึ่งองศาเคลวินและสามารถพิจารณาได้จากนิพจน์ต่อไปนี้:

c = Q / m ΔT

ในสมการนี้ m คือมวลของสาร ดังนั้นหน่วยวัดความร้อนจำเพาะในกรณีนี้คือจูลต่อกิโลกรัมต่อเคลวิน (J / kg K) หรือจูลต่อกรัมต่อเคลวิน (J / g K)

ในทำนองเดียวกันความร้อนจำเพาะโมลาร์คือปริมาณความร้อนที่ต้องจ่ายให้กับโมลของสารเพื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้นหนึ่งองศาเคลวิน และสามารถกำหนดได้จากนิพจน์ต่อไปนี้:

ในนิพจน์นี้ n คือจำนวนโมลของสาร นี่หมายความว่าหน่วยวัดความร้อนจำเพาะในกรณีนี้คือจูลต่อโมลต่อเคลวิน (J / mol K)

ความร้อนจำเพาะของน้ำ

ความร้อนเฉพาะของสารหลายชนิดถูกคำนวณและเข้าถึงได้ง่ายในตาราง ค่าความร้อนจำเพาะของน้ำในสถานะของเหลวคือ 1,000 แคลอรี่ / กิโลกรัม K = 4186 J / kg K. ในทางตรงกันข้ามความร้อนจำเพาะของน้ำในสถานะก๊าซคือ 2080 J / kg K และในสถานะของแข็ง 2050 J / กก.

การถ่ายเทความร้อน

ด้วยวิธีนี้และเนื่องจากได้คำนวณค่าเฉพาะของสารส่วนใหญ่แล้วจึงสามารถกำหนดการถ่ายเทความร้อนระหว่างสองร่างกายหรือระบบด้วยนิพจน์ต่อไปนี้:

Q = ซม. ΔT

หรือถ้าใช้ความร้อนจำเพาะโมลาร์:

Q = cn ΔT

ควรคำนึงถึงว่านิพจน์เหล่านี้อนุญาตให้กำหนดฟลักซ์ความร้อนได้โดยที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงสถานะ

ในกระบวนการเปลี่ยนสถานะเราพูดถึงความร้อนแฝง (L) ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นพลังงานที่ต้องการโดยปริมาณของสารในการเปลี่ยนเฟสหรือสถานะทั้งจากของแข็งเป็นของเหลว (ความร้อนของฟิวชัน, L _f ) หรือจากของเหลวเป็นก๊าซ (ความร้อนจากการกลายเป็นไอ, L _v )

ต้องคำนึงว่าพลังงานดังกล่าวในรูปของความร้อนจะถูกใช้ไปทั้งหมดในการเปลี่ยนเฟสและไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ในกรณีเช่นนี้นิพจน์ในการคำนวณฟลักซ์ความร้อนในกระบวนการกลายเป็นไอมีดังต่อไปนี้:

Q = L _v m

ถ้าใช้ความร้อนจำเพาะโมลาร์: Q = L _v n

ในกระบวนการหลอมรวม: Q = L _f m

ถ้าใช้ความร้อนจำเพาะโมลาร์: Q = L _f n

โดยทั่วไปเช่นเดียวกับความร้อนจำเพาะความร้อนแฝงของสารส่วนใหญ่จะถูกคำนวณแล้วและสามารถเข้าถึงได้ง่ายในตาราง ตัวอย่างเช่นในกรณีของน้ำคุณต้อง:

L _f = 334 kJ / kg (79.7 cal / g) ที่ 0 ° C; L _v = 2257 kJ / kg (539.4 cal / g) ที่ 100 ° C

ตัวอย่าง

ในกรณีของน้ำถ้าน้ำแช่แข็ง (น้ำแข็ง) มวล 1 กิโลกรัมถูกให้ความร้อนจากอุณหภูมิ -25 ºCถึงอุณหภูมิ 125 ºC (ไอน้ำ) ความร้อนที่ใช้ในกระบวนการจะคำนวณได้ดังนี้ :

ด่าน 1

น้ำแข็งจาก -25 ºCถึง0ºC

Q = ซม. ΔT = 2050 1 25 = 51250 J

ด่าน 2

การเปลี่ยนสถานะจากน้ำแข็งเป็นน้ำเหลว

Q = L _f m = 334000 1 = 334000 J

ด่าน 3

น้ำเหลวตั้งแต่0ºCถึง100ºC

Q = ซม. ΔT = 4186 1 100 = 418600 J

ด่าน 4

การเปลี่ยนสถานะจากน้ำเหลวเป็นไอน้ำ

Q = L _v m = 2257000 1 = 2257000 J

ขั้นที่ 5

ไอน้ำตั้งแต่100ºCถึง125ºC.

Q = ซม. ΔT = 2080 1 25 = 52000 J

ดังนั้นฟลักซ์ความร้อนทั้งหมดในกระบวนการจึงเป็นผลรวมของสิ่งนั้นที่เกิดขึ้นในแต่ละขั้นตอนและผลลัพธ์ใน 31112850 J.

อ้างอิง

1. Resnik, Halliday & Krane (2002). ฟิสิกส์เล่ม 1. Cecsa
2. เลเดอร์คี ธ เจ (2536) สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดเอ็ด. โลกแห่งเคมีเชิงกายภาพความจุความร้อน. (ND) ในวิกิพีเดีย. สืบค้นเมื่อวันที่ 20 มีนาคม 2018 จาก en.wikipedia.org.
3. ความร้อนแฝง (ND) ในวิกิพีเดีย. สืบค้นเมื่อวันที่ 20 มีนาคม 2018 จาก en.wikipedia.org.
4. คลาร์กจอห์น OE (2004) พจนานุกรมสำคัญของวิทยาศาสตร์ หนังสือ Barnes & Noble
5. Atkins, P. , de Paula, J. (1978/2010). เคมีเชิงฟิสิกส์ (ฉบับพิมพ์ครั้งแรก พ.ศ. 2521) ฉบับที่ 9 พ.ศ. 2553 สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด Oxford สหราชอาณาจักร