SPESIFIKK VARME: HVA DEN BESTÅR AV, HVORDAN DEN BEREGNES OG EKSEMPLER - KJEMI - 2026

Den spesifikke varmen er mengden energi som skal tas opp ett gram av et stoff for å øke temperaturen med en grad Celsius. Det er en intensiv fysisk egenskap, siden den ikke er avhengig av masse, da den bare uttrykkes for ett gram stoff; det er imidlertid relatert til antall partikler og deres molmasse, så vel som de intermolekylære kreftene som binder dem.

Mengden energi som absorberes av stoffet, kommer til uttrykk i joule-enheter (J), og sjeldnere i kalorier (Cal). Generelt antas det at energi tas opp gjennom varme; energien kan imidlertid komme fra en annen kilde, for eksempel arbeid utført på stoffet (streng omrøring, for eksempel).

Kokende vann. Kilde: Pixabay

Bildet over viser en vannkoker som vanndampene som genereres av oppvarmingen frigjøres fra. For å varme opp vannet, må det absorbere varme fra flammen som ligger under kjelen. Når tiden går, og avhengig av intensiteten til brannen, vil vannet koke når det når kokepunktet.

Spesifikk varme bestemmer hvor mye energi vann forbruker for hver grad ºC temperaturen øker. Denne verdien er konstant hvis forskjellige vannmengder varmes opp i den samme kjelen, siden det som sagt i begynnelsen er en intensiv egenskap.

Det som varierer er den totale mengden energi som absorberes av hver masse oppvarmet vann, også kjent som varmekapasiteten. Jo større vannmasse som skal varmes opp (2, 4, 10, 20 liter), desto større er varmekapasiteten; men dens spesifikke varme forblir den samme.

Denne egenskapen er avhengig av trykk, temperatur og volum; av hensyn til enkel forståelse utelates imidlertid deres tilsvarende variasjoner.

Hva er spesifikk varme?

Hva spesifikk varme betydde for et gitt stoff ble definert. Imidlertid kommer den sanne betydningen bedre til uttrykk med formelen, som gjør det klart gjennom enhetene sine hvilke klareringer det innebærer når variablene det er avhengig av blir analysert. Formelen er:

Ce = Q / ΔT m

Hvor Q er den absorberte varmen, ΔT temperaturendringen, og m er stoffets masse; som ifølge definisjonen tilsvarer et gram. Gjør en analyse av enhetene vi har:

Ce = J / ºC · g

Som også kan komme til uttrykk på følgende måter:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Den første av dem er den enkleste, og det er som eksemplene vil bli nærmet i de følgende seksjoner.

Formelen indikerer eksplisitt mengden energi absorbert (J) med ett gram stoff i en grad ºC. Hvis vi ønsket å fjerne denne energimengden, måtte vi legge ligningen J til side:

J = Ce · ºC · g

Dette uttrykkes på en mer passende måte og i samsvar med variablene ville være:

Q = Ce ΔT m

Hvordan beregnes spesifikk varme?

Vann som referanse

I formelen ovenfor representerer 'm' ikke et gram stoff, siden det allerede finnes implisitt i Ce. Denne formelen er veldig nyttig for å beregne de spesifikke varmer av forskjellige stoffer gjennom kalorimetri.

Hvordan? Ved å bruke definisjonen av kalorier, som er mengden energi som trengs for å varme opp et gram vann fra 14,5 til 15,5ºC; dette er lik 4 184 J.

Den spesifikke varmen til vann er unormalt høy, og denne egenskapen brukes til å måle den spesifikke varmen til andre stoffer som vet verdien av 4.184 J.

Hva betyr det for en spesifikk varme å være høy? At den tilbyr betydelig motstand for å øke temperaturen, så den må absorbere mer energi; det vil si at vann må varmes opp mye lenger sammenlignet med andre stoffer, som i nærheten av en varmekilde nesten varmes opp umiddelbart.

Av denne grunn brukes vann i kalorimetriske målinger, siden det ikke opplever plutselige temperaturendringer når den absorberer energien som frigjøres fra kjemiske reaksjoner; eller for dette tilfellet fra kontakt med et annet varmere materiale.

Termisk likevekt

Siden vann trenger å absorbere mye varme for å øke temperaturen, kan varmen komme fra et varmt metall, for eksempel. Når man tar hensyn til massene av vann og metall, vil det skje en varmeveksling mellom dem til det som kalles termisk likevekt.

Når dette skjer, utjevnes temperaturene i vannet og metallet. Varmen som avgis av varmt metall er lik den som absorberes av vann.

Matematisk utvikling

Å vite dette, og med den siste formelen for Q nettopp beskrevet, har vi:

Q _Vann = -Q _Metall

Det negative tegnet indikerer at varme frigjøres fra det varmere legemet (metall) til kjøligere legeme (vann). Hvert stoff har sin egen spesifikke varme Ce, og sin masse, så dette uttrykket må utvikles som følger:

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

Det ukjente er Ce _Metal , siden i termisk likevekt er den endelige temperaturen for både vann og metall den samme; I tillegg er de innledende temperaturene til vannet og metallet kjent før kontakt, så vel som massene deres. Derfor må Ce _Metal tømmes :

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

Uten å glemme at Ce _Water er 4.184 J / ºC · g. Hvis ΔT _Water og ΔT _Metal utvikles , vil vi ha henholdsvis (T _f - T _Water ) og (T _f - T _Metal ). Vannet varmes opp mens metallet avkjøles, og det er grunnen til at det negative tegnet multipliserer ΔT _Metal, forlater (T _Metal - T _f ). Ellers ville MetalT _Metal ha en negativ verdi fordi den er T _f mindre (kaldere) enn T _Metal .

Ligningen blir så endelig uttrykt på denne måten:

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

Og med det beregnes de spesifikke varmer.

Beregningseksempel

Det er en sfære av et underlig metall som veier 130g, og har en temperatur på 90 ºC. Dette dyppes i en 100 g vannbeholder ved 25 ºC, inne i et kalorimeter. Når termisk likevekt når temperaturen, blir beholderens temperatur 40 ° C. Beregn Ce for metallet.

Den endelige temperaturen, _Tf , er 40 ° C. Når du kjenner de andre dataene, kan Ce deretter bestemmes direkte:

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

Ce _Metal = 0,965 J / ºC · g

Legg merke til at den spesifikke varmen til vann er omtrent fire ganger den for metall (4.184 / 0.965).

Når Ce er veldig liten, desto større er tendensen til å varme opp; som er relatert til dens termiske ledningsevne og diffusjon. Et metall med høyere Ce vil ha en tendens til å frigjøre eller miste mer varme når det kommer i kontakt med et annet materiale, sammenlignet med et annet metall med en lavere Ce.

eksempler

Spesifikke varmer for forskjellige stoffer er vist nedenfor.

Vann

Som spesifisert er den spesifikke varmen til vann 4.184 J / ° C · g.

Takket være denne verdien kan den få mye sol i havet, og vannet vil nesten ikke fordampe i nevneverdig grad. Dette resulterer i en termisk forskjell som ikke påvirker livet i havet. For eksempel, når du drar til stranden for å svømme, selv om det er veldig solfylt ute, kjennes vannet på en lavere, kjøligere temperatur.

Varmt vann trenger også å frigjøre mye energi for å avkjøle seg selv. I prosessen varmer den opp de sirkulerende luftmassene, og hever (tempererte) temperaturer noe i kyststrøkene om vinteren.

Et annet interessant eksempel er at hvis vi ikke var laget av vann, kan en dag i solen være dødelig, fordi kroppstemperaturene våre ville øke raskt.

Denne unike verdien av Ce skyldes intermolekylære hydrogenbindinger. Disse absorberer varme for å bryte ned, slik at de lagrer energi. Inntil de er ødelagte, vil ikke vannmolekylene kunne vibrere og øke den gjennomsnittlige kinetiske energien, noe som gjenspeiles i en økning i temperaturen.

Is

Den spesifikke isvarmen er 2.090 J / ºC · g. Som vann, har den en uvanlig høy verdi. Dette betyr at et isfjell, for eksempel, vil trenge å absorbere en enorm mengde varme for å øke temperaturen. Imidlertid har noen isfjell i dag til og med tatt opp varmen som trengs for å smelte (latent fusjonsvarme).

Aluminium

Den spesifikke varmen til aluminium er 0,900 J / ºC · g. Det er litt lavere enn metallet i sfæren (0,965 J / ºC · g). Her blir varmen absorbert for å vibrere metallatomene i aluminium i deres krystallinske strukturer, og ikke individuelle molekyler som holdes sammen av intermolekylære krefter.

Jern

Den spesifikke varmen til jern er 0,444 J / ºC · g. Ved å være mindre enn aluminium betyr det at den gir mindre motstand når den varmes opp; det vil si før en brann vil et stykke jern bli rødt varmt mye tidligere enn et stykke aluminium.

Aluminium er mer motstandsdyktig mot oppvarming, holder maten varm lenger når den berømte aluminiumsfolien brukes til å pakke inn snacks.

Luft

Den spesifikke luftvarmen er omtrent 1,003 J / ºC · g. Denne verdien er sterkt utsatt for trykk og temperaturer fordi den består av en gassformig blanding. Her absorberes varmen for å vibrere molekylene nitrogen, oksygen, karbondioksid, argon, etc.

Sølv

Til slutt er den spesifikke varmen for sølv 0,234 J / ºC · g. Av alle stoffene som er nevnt, har den den laveste Ce-verdien. Dette betyr at når du blir møtt med jern og aluminium, vil et stykke sølv varme opp mye mer på samme tid enn de to andre metallene. Faktisk harmonerer den med sin høye termiske ledningsevne.

referanser

1. Serway & Jewett. (2008). Fysikk: for vitenskap og ingeniørfag. (Syvende utgave), bind 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kjemi. (Åttende utgave). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5. november 2018). Spesifikk varmekapasitet i kjemi. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Spesifikk varme. Gjenopprettet fra: scienceworld.wolfram.com
5. R Skip. (2016). Spesifikk varme. Georgia State University. Gjenopprettet fra: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Spesifikk varme. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org