Specifieke warmte in wat het is, hoe het wordt berekend en voorbeelden



de specifieke warmte is de hoeveelheid energie die een gram van een bepaalde stof moet opnemen om de temperatuur één graad Celsius te verhogen. Het is een intensieve fysische eigenschap, omdat het niet afhangt van de massa die slechts voor een gram stof wordt uitgedrukt; het is echter gerelateerd aan het aantal deeltjes en de molaire massa van de deeltjes, evenals de intermoleculaire krachten die ze binden.

De hoeveelheid energie die door de stof wordt geabsorbeerd, wordt uitgedrukt in eenheden van joule (J) en minder vaak in calorieën (Cal). Over het algemeen wordt aangenomen dat energie wordt geabsorbeerd door warmte; de energie kan echter uit een andere bron komen, zoals werk dat aan de substantie wordt gedaan (bijvoorbeeld rigoreuze agitatie).

De bovenste afbeelding toont een theepot waaruit de door de verwarming opgewekte waterdampen vrijkomen. Om het water te verwarmen, moet het warmte absorberen van de vlam die zich onder de theepot bevindt. Dus, naarmate de tijd vordert, en afhankelijk van de intensiteit van het vuur, zal het water koken wanneer het het kookpunt bereikt.

De specifieke warmte bepaalt hoeveel energie het water verbruikt voor elke graad ° C die de temperatuur verhoogt. Deze waarde is constant als verschillende volumes water in dezelfde theepot worden verwarmd, omdat zoals vermeld aan het begin, het een intensief eigendom is.

Wat wel varieert, is de totale hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd door elk verwarmd waterlichaam, ook wel de warmtecapaciteit genoemd. Hoe groter de watermassa die moet worden verwarmd (2, 4, 10, 20 liter), hoe groter de warmtecapaciteit ervan; maar de specifieke warmte is nog steeds hetzelfde.

Deze eigenschap is afhankelijk van de druk, temperatuur en volume; voor een eenvoudig begrip zijn de bijbehorende variaties echter weggelaten.

index

  • 1 Wat is de specifieke warmte??
  • 2 Hoe wordt de specifieke warmte berekend?
    • 2.1 Water als referentie
    • 2.2 Thermisch evenwicht
    • 2.3 Wiskundige ontwikkeling
    • 2.4 Rekenvoorbeeld
  • 3 voorbeelden
    • 3.1 Water
    • 3.2 IJs
    • 3.3 Aluminium
    • 3.4 IJzer
    • 3.5 Lucht
    • 3.6 Zilver
  • 4 Referenties

Wat is de specifieke warmte?

Er werd gedefinieerd wat de specifieke warmte voor een bepaalde stof betekende. De ware betekenis wordt echter het beste uitgedrukt met zijn formule, die duidelijk wordt door zijn eenheden, wat de spelingen zijn die betrokken zijn bij het analyseren van de variabelen waarvan het afhankelijk is. De formule is:

Ce = Q / ΔT · m

Waarbij Q de warmte is die wordt geabsorbeerd, ΔT de temperatuurverandering en m de massa van de stof; dat volgens de definitie overeenkomt met één gram. Als u een analyse van uw eenheden uitvoert, heeft u:

Ce = J / ºC · g

Die ook op de volgende manieren kan worden uitgedrukt:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ºC · Kg

De eerste is de eenvoudigste en daarom zullen de voorbeelden in de volgende paragrafen worden behandeld.

De formule geeft expliciet de hoeveelheid geabsorbeerde energie (J) per gram substantie met één graad ° C aan. Als je die hoeveelheid energie zou willen zuiveren, zou je de vergelijking J moeten laten staan:

J = Ce · ºC · g

Dat uitgedrukt op een meer geschikte manier en volgens de variabelen zou zijn:

Q = Ce · ΔT · m

Hoe wordt de specifieke warmte berekend?

Water als referentie

In de vorige formule staat 'm' niet voor een gram van de stof, omdat het al impliciet in Ce voorkomt. Deze formule is erg handig om de specifieke hitte van verschillende stoffen via calorimetrie te berekenen.

Hoe? De definitie van calorieën gebruiken, wat de hoeveelheid energie is die nodig is om een ​​gram water te verwarmen van 14,5 tot 15,5 ° C; Dit is gelijk aan 4,184 J.

De soortelijke warmte van het water is abnormaal hoog en deze eigenschap wordt gebruikt om de specifieke opwarmtijd van andere stoffen te meten, met de waarde van 4,184 J.

Wat betekent het dat een specifieke hitte hoog is? Dat verzet zich tegen een aanzienlijke weerstand om de temperatuur te verhogen, dus het moet meer energie opnemen; dat wil zeggen, het water moet veel langer worden verwarmd in vergelijking met andere stoffen, die in de buurt van een warmtebron vrijwel onmiddellijk worden verwarmd.

Om deze reden wordt het water gebruikt in de calorimetrische metingen, omdat het geen abrupte veranderingen van temperatuur ervaart bij het absorberen van de energie die vrijkomt bij chemische reacties; of, in dit geval, contact met ander heter materiaal.

Thermische balans

Omdat water veel warmte moet opnemen om de temperatuur te verhogen, kan warmte bijvoorbeeld afkomstig zijn van een heet metaal. Rekening houdend met de massa's water en metaal, zal een uitwisseling van warmte tussen beide plaatsvinden tot het bereiken van wat wordt genoemd thermisch evenwicht.

Wanneer dit gebeurt, worden de water- en metaaltemperaturen gelijk gemaakt. De warmte die vrijkomt bij het hete metaal is gelijk aan de warmte die door het water wordt opgenomen.

Wiskundige ontwikkeling

Dit wetende, en met de laatste formule voor Q die zojuist is beschreven, hebben we:

Qwater= -Qmetaal

Het negatieve teken geeft aan dat er warmte vrijkomt van het heetste lichaam (metaal) naar het koudste lichaam (water). Elke stof heeft zijn eigen specifieke warmte Ce en zijn massa, dus deze uitdrukking moet als volgt worden ontwikkeld:

Qwater = Cewater · ΔTwater · Mwater = - (Cemetaal · ΔTmetaal · Mmetaal)

Het onbekende is Cemetaal, omdat in het thermisch evenwicht de eindtemperatuur voor zowel het water als het metaal hetzelfde is; Bovendien zijn de begintemperaturen van het water en het metaal bekend voor contact, evenals hun massa's. Daarom moeten we Ce wissenmetaal:

ECmetaal = (Cewater · ΔTwater · Mwater) / (-ΔTmetaal · Mmetaal)

Zonder te vergeten dat Cewater het is 4.184 J / ºC · g. Als ΔT worden ontwikkeldwater en ΔTmetaal, het zal zijn (TF - Twater) en (TF - Tmetaal), respectievelijk. Het water wordt verwarmd, terwijl het metaal afkoelt en daarom vermenigvuldigt het negatieve teken zich tot ΔTmetaal blijven (Tmetaal - TF). Anders, ΔTmetaal zou een negatieve waarde hebben om T te zijnF klein (kouder) dan Tmetaal.

De vergelijking wordt dan uiteindelijk als volgt uitgedrukt:

ECmetaal = Cewater · (TF - Twater) · Mwater/ (Tmetaal - TF) · Mmetaal

En daarmee worden de specifieke heats berekend.

Rekenvoorbeeld

Het heeft een bol van een vreemd metaal dat 130 g weegt, en met een temperatuur van 90 ° C. Dit wordt ondergedompeld in een watercontainer van 100 g bij 25 ° C, binnen een calorimeter. Wanneer het thermisch evenwicht wordt bereikt, wordt de temperatuur van de houder 40 ° C. Bereken het metaal Ce.

De eindtemperatuur, TF, Het is 40ºC. Als u de andere gegevens kent, kunt u Ce direct bepalen:

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

ECmetaal = 0.965 J / ºC · g

Merk op dat de soortelijke warmte van het water ongeveer vier keer die van het metaal is (4.184 / 0.965).

Wanneer Ce heel klein is, is de neiging om op te warmen groter; welke, is gerelateerd aan zijn thermische geleidbaarheid en diffusie. Een metaal met een hoger Ce heeft de neiging om meer warmte af te geven of te verliezen wanneer het in contact komt met een ander materiaal, in vergelijking met een ander metaal met een lager Ce.

Voorbeelden

Specifieke verwarmingen voor verschillende stoffen worden hieronder getoond.

water

De soortelijke warmte van het water is, zoals gezegd, 4,184 J / ºC · g.

Dankzij deze waarde kan het veel zon in de oceaan maken en zal het water nauwelijks of nauwelijks verdampen. Dit resulteert in een thermisch verschil dat het zeeleven niet beïnvloedt. Als u bijvoorbeeld naar het strand gaat om te zwemmen, zelfs als het buiten zonnig is, kunt u een lagere, koelere temperatuur in het water voelen.

Heet water moet ook veel energie afgeven om af te koelen. In dit proces worden de circulerende luchtmassa's verwarmd, waardoor de temperaturen (gematigd) in de kustgebieden tijdens de winters iets hoger worden..

Een ander interessant voorbeeld is dat als we niet door water zouden worden gevormd, een dag in de zon dodelijk zou kunnen zijn, omdat de temperaturen van ons lichaam snel zouden stijgen.

Deze unieke waarde van Ce is te danken aan de intermoleculaire waterstofbruggen. Deze absorberen warmte om te breken, dus ze slaan energie op. Tot ze zijn gebroken, kunnen de watermoleculen niet trillen, waardoor de gemiddelde kinetische energie wordt verhoogd, hetgeen wordt weerspiegeld in een toename van de temperatuur.

ijs

De soortelijke warmte van het ijs is 2.090 J / ºC · g. Net als water heeft het een ongewoon hoge waarde. Dit betekent dat een ijsberg bijvoorbeeld een enorme hoeveelheid warmte zou moeten absorberen om de temperatuur te verhogen. Sommige ijsbergen van vandaag hebben echter zelfs de warmte geabsorbeerd die nodig is om te smelten (latente smeltwarmte).

aluminium

De specifieke warmte van aluminium is 0,900 J / ºC · g. Het is iets lager dan het metaal van de bol (0.965 J / ºC · g). Hier wordt de warmte geabsorbeerd om de metaalatomen van aluminium in haar kristallijne structuren te laten trillen, en niet individuele moleculen verbonden door intermoleculaire krachten.

ijzer

De soortelijke warmte van het strijkijzer is 0,444 J / ºC · g. Omdat het minder dan aluminium is, betekent het dat het minder weerstand biedt bij verhitting; dat wil zeggen, voor een vuur wordt een stuk ijzer al lang voor een aluminium stuk gloeiend heet.

Aluminium, in tegenstelling tot verwarming, houdt voedsel langer warm als de beroemde aluminiumfolie wordt gebruikt om de snacks in te pakken.

lucht

De soortelijke luchtwarmte is ongeveer 1.003 J / ºC · g. Deze waarde is zeer onderhevig aan drukken en temperaturen omdat deze uit een gasmengsel bestaat. Hier wordt de warmte geabsorbeerd om de moleculen van stikstof, zuurstof, koolstofdioxide, argon, enz. Te trillen..

zilver

Ten slotte is de specifieke warmte voor zilver 0,234 J / ºC · g. Van alle genoemde stoffen heeft dit de laagste waarde van Ce. Dit betekent dat een stuk zilver vóór het ijzer en aluminium veel meer tegelijkertijd zou verhitten als de andere twee metalen. In feite harmoniseert het met zijn hoge thermische geleidbaarheid.

referenties

  1. Serway & Jewett. (2008). Fysica: voor wetenschap en techniek. (Zevende editie), Deel 1, Leren van Cengage.
  2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chemie. (Achtste editie). Cengage Learning.
  3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 november 2018). Specifieke warmtecapaciteit in de chemie. Teruggeplaatst van: thoughtco.com
  4. Eric W. Weisstein. (2007). Specifieke warmte. Teruggeplaatst van: scienceworld.wolfram.com
  5. R schip. (2016). Specifieke warmte. Georgia State University. Teruggeplaatst van: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  6. Wikipedia. (2019). Specifieke warmte Teruggeplaatst van: en.wikipedia.org