SPECIELL VÄRME: VAD DEN BESTÅR AV, HUR DEN BERÄKNAS OCH EXEMPEL - KEMI

Den specifika värmen är den mängd energi som ska absorberas ett gram av ett ämne för att öka temperaturen med en grad Celsius. Det är en intensiv fysisk egenskap, eftersom den inte beror på massa eftersom den bara uttrycks för ett gram ämne; det är emellertid relaterat till antalet partiklar och deras molära massa, liksom de intermolekylära krafterna som binder dem.

Mängden energi som absorberas av ämnet uttrycks i joule-enheter (J) och mindre vanligt i kalorier (Cal). Generellt antas att energi absorberas genom värme; energin kan emellertid komma från en annan källa, till exempel arbete som utförs på ämnet (t ex rigorös omrörning).

Kokande vatten. Källa: Pixabay

Bilden ovan visar en vattenkokare från vilken de ångor som genereras genom dess uppvärmning släpps. För att värma upp vattnet måste det absorbera värme från lågan som ligger under vattenkokaren. Allteftersom tiden går, och beroende på eldens intensitet, kommer vattnet att koka när det når sin kokpunkt.

Speciell värme fastställer hur mycket energi vatten förbrukar för varje grad ºC som dess temperatur ökar. Detta värde är konstant om olika volymer vatten värms upp i samma vattenkokare, eftersom det som sagt i början är en intensiv egenskap.

Vad som varierar är den totala mängden energi som absorberas av varje massa uppvärmt vatten, även känd som värmekapaciteten. Ju större vattenmassan som ska värmas (2, 4, 10, 20 liter), desto större är värmekapaciteten; men dess specifika värme förblir densamma.

Denna egenskap beror på trycket, temperaturen och volymen; men för enkel förståelse utelämnas deras motsvarande variationer.

Vad är specifik värme?

Vad specifikt värme betydde för en given substans definierades. Emellertid kommer dess verkliga betydelse bättre att uttryckas med sin formel, vilket gör det tydligt genom dess enheter vilka är avstånd som det innebär när variablerna som det beror på analyseras. Dess formel är:

Ce = Q / ΔT m

Där Q är den absorberade värmen, theT temperaturförändringen, och m är ämnets massa; som enligt definitionen motsvarar ett gram. Genom att göra en analys av dess enheter har vi:

Ce = J / ºC · g

Som också kan uttryckas på följande sätt:

Ce = kJ / Kg

Ce = J / ºC · Kg

Den första av dem är den enklaste och exemplen kommer att närma sig i följande avsnitt.

Formeln anger uttryckligen mängden energi som absorberas (J) med ett gram ämne i en grad ºC. Om vi ville rensa denna mängd energi, måste vi lämna ekvationen J åt sidan:

J = Ce · ºC · g

Det uttrycks på ett mer lämpligt sätt och enligt variablerna skulle vara:

Q = Ce ΔT m

Hur beräknas specifik värme?

Vatten som referens

I ovanstående formel representerar 'm' inte ett gram ämne, eftersom det redan finns implicit i Ce. Denna formel är mycket användbar för att beräkna de specifika värmena för olika ämnen genom kalorimetri.

Hur? Använda definitionen av kalorier, som är den mängd energi som behövs för att värma ett gram vatten från 14,5 till 15,5 ° C; detta är lika med 4 184 J.

Den specifika vattenvärmen är onormalt hög, och den här egenskapen används för att mäta den specifika värmen på andra ämnen som vet värdet av 4.184 J.

Vad betyder det för en specifik värme att vara hög? Att den erbjuder betydande motstånd för att öka temperaturen, så att den måste ta upp mer energi; det vill säga, vatten måste värmas mycket längre jämfört med andra ämnen, som i närheten av en värmekälla nästan direkt värms upp.

Av detta skäl används vatten i kalorimetriska mätningar, eftersom det inte upplever plötsliga temperaturförändringar vid absorption av energin från kemiska reaktioner; eller för detta fall från kontakt med ett annat hetare material.

Termisk jämvikt

Eftersom vatten måste ta upp mycket värme för att öka temperaturen, kan värmen till exempel komma från en het metall. Med hänsyn till massorna av vatten och metall kommer en värmeväxling att ske mellan dem tills det som kallas termisk jämvikt har uppnåtts.

När detta inträffar utjämnas temperaturen på vattnet och metallen. Värmen som avges av varm metall är lika med den som absorberas av vatten.

Matematisk utveckling

Att veta detta, och med den senaste formeln för Q som just har beskrivits, har vi:

Q _vatten = -Q _metall

Det negativa tecknet indikerar att värme frigörs från den varmare kroppen (metall) till den kallare kroppen (vatten). Varje ämne har sin egen specifika värme Ce, och sin massa, så detta uttryck måste utvecklas enligt följande:

Q _Vatten = Ce- _vatten · ΔT _vatten · m _Vatten = - (Ce _Metal · ΔT _Metal · m _Metal )

Det okända är Ce _Metal , eftersom i termisk jämvikt är den slutliga temperaturen för både vatten och metall densamma; dessutom är de initiala temperaturerna för vattnet och metallen kända innan de kommer i kontakt, såväl som deras massor. Därför måste Ce _Metal rensas :

Ce _Metal = (Ce _Water · ΔT _Water · m _Water ) / (-ΔT _Metal · m _Metal )

Utan att glömma att Ce _Water är 4,184 J / ºC · g. Om ΔT _Water och ΔT _Metal utvecklas kommer vi att ha (T _f - T _Water ) respektive (T _f - T _Metal ). Vattnet värms upp, medan metallen svalnar, och det är därför negativt skylt multiplicerar ΔT _Metal, lämnar (T _Metal - T _f ). Annars skulle MetalT _Metal ha ett negativt värde eftersom det är T _f mindre (kallare) än T _Metal .

Ekvationen uttrycks sedan slutligen på detta sätt:

Ce _Metal = Ce _Water · (T _f - T _Water ) · m _Water / (T _Metal - T _f ) · m _Metal

Och med det beräknas de specifika värmarna.

Beräkningsexempel

Det finns en sfär av en konstig metall som väger 130 g och har en temperatur på 90 ° C. Detta nedsänks i en 100 g vattenbehållare vid 25 ° C, inne i en kalorimeter. När termisk jämvikt uppnås blir behållarens temperatur 40 ° C. Beräkna Ce för metallen.

Den slutliga temperaturen, _Tf , är 40 ° C. Genom att känna till andra data kan Ce bestämmas direkt:

Ce _Metal = (4 184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130g

Ce _Metal = 0,965 J / ºC · g

Observera att den specifika vattenvärmen är ungefär fyra gånger den för metall (4.184 / 0.965).

När Ce är mycket liten, desto större är dess tendens att värma upp; vilket är relaterat till dess värmeledningsförmåga och diffusion. En metall med en högre Ce tenderar att släppa eller förlora mer värme när den kommer i kontakt med ett annat material, jämfört med en annan metall med en lägre Ce.

exempel

Specifika värmer för olika ämnen visas nedan.

Vatten

Den specifika vattenvärmen är som anges 4,184 J / ° C · g.

Tack vare detta värde kan det få mycket sol i havet och vattnet försvinner knappast i en märkbar grad. Detta resulterar i en termisk skillnad som inte påverkar marint liv. Till exempel, när du åker till stranden för att simma, även om det är väldigt soligt ute, känns vattnet en lägre, kallare temperatur.

Varmt vatten behöver också släppa ut mycket energi för att kyla sig själv. Under processen värmer det upp de cirkulerande luftmassorna och höjer (tempererade) temperaturer något i kustregioner under vintrar.

Ett annat intressant exempel är att om vi inte var gjorda av vatten kan en dag i solen vara dödlig, eftersom våra kroppstemperaturer skulle stiga snabbt.

Detta unika värde på Ce beror på intermolekylära vätebindningar. Dessa absorberar värme för att bryta ner, så de lagrar energi. Tills de bryts kommer vattenmolekylerna inte att kunna vibrera och öka den genomsnittliga kinetiska energin, vilket återspeglas i en temperaturökning.

Is

Den specifika isvärmen är 2 090 J / ºC · g. Liksom med vatten har den ett ovanligt högt värde. Detta innebär att till exempel ett isberg skulle behöva ta upp en enorm mängd värme för att öka temperaturen. Vissa isberg har idag även tagit upp värmen som behövs för att smälta (latent smältvärme).

Aluminium

Den specifika aluminiumvärmen är 0,900 J / ºC · g. Det är något lägre än metallen i sfären (0,965 J / ºC · g). Här absorberas värmen för att vibrera aluminiumatomerna i aluminium i deras kristallstrukturer, och inte enskilda molekyler som hålls samman av intermolekylära krafter.

Järn

Den specifika järnvärmen är 0,444 J / ºC · g. Eftersom det är mindre än aluminium, betyder det att det ger mindre motstånd vid uppvärmning det vill säga, före en brand blir ett strykjärn rött hett mycket tidigare än ett aluminiumstycke.

Aluminium är mer motståndskraftigt mot uppvärmning och håller maten varm längre när den berömda aluminiumfolien används för att förpacka snacks.

Luft

Den specifika luftvärmen är ungefär 1.003 J / ºC · g. Detta värde är mycket utsatt för tryck och temperaturer eftersom det består av en gasformig blandning. Här absorberas värmen för att vibrera molekylerna kväve, syre, koldioxid, argon, etc.

Silver

Slutligen är den specifika värmen för silver 0,234 J / ºC · g. Av alla ämnen som nämns har det lägsta Ce-värdet, vilket innebär att när silver införs med järn och aluminium skulle en bit silver värmas upp mycket mer samtidigt som de andra två metallerna. I själva verket harmoniserar den med sin höga värmeledningsförmåga.

referenser

Serway & Jewett. (2008). Fysik: för vetenskap och teknik. (Sjunde upplagan), Volym 1, Cengage Learning.
Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemi. (Åttonde upplagan). Cengage Learning.
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 november 2018). Specifik värmekapacitet inom kemi. Återställd från: thoughtco.com
Eric W. Weisstein. (2007). Specifik värme. Återställd från: scienceworld.wolfram.com
R skepp. (2016). Specifik värme. Georgia State University. Återställdes från: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Wikipedia. (2019). Specifik värme. Återställd från: es.wikipedia.org

SPECIELL VÄRME: VAD DEN BESTÅR AV, HUR DEN BERÄKNAS OCH EXEMPEL - KEMI - 2025