FAJLAGOS HŐ: MIBŐL ÁLL, HOGYAN SZÁMOLJÁK ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2026

A fajlagos hő az az energiamennyiség, amelyet egy anyag egy grammja elnyel, hogy hőmérséklete egy Celsius-fokkal megemelkedjen. Intenzív fizikai tulajdonság, mivel nem függ a tömegtől, mivel csak egy gramm anyagot fejezi ki; viszont kapcsolatban áll a részecskék számával és moláris tömegükkel, valamint az őket mozgató molekuláris erőkkel.

Az anyag által felszívott energiamennyiséget džaula egységben (J), ritkábban kalóriában (Cal) fejezik ki. Általában azt feltételezik, hogy az energiát a hő vesz fel; az energia azonban más forrásból is származhat, mint például az anyaggal végzett munka (például szigorú keverés).

Forrásban lévő víz. Forrás: Pixabay

A fenti képen egy vízforraló látható, amelyből a melegítés során keletkező vízgőzök felszabadulnak. A víz melegítéséhez a víz fel kell melegíteni a vízforraló alatt található lángból. Így az idő múlásával és a tűz intenzitásától függően a víz felforr, amikor eléri a forráspontját.

A fajlagos hő meghatározza, hogy mekkora mennyiségű energiát fogyaszt a víz egy ° C-os hőmérsékleten, amikor a hőmérséklete megemelkedik. Ez az érték állandó, ha különböző vízmennyiségeket melegítünk ugyanabban a vízforralóban, mivel mint az elején már említettük, ez intenzív tulajdonság.

Ami változik, az a melegített víz minden egyes tömege által elnyelt teljes energiamennyiség, más néven hőkapacitás. Minél nagyobb a melegítendő víz tömege (2, 4, 10, 20 liter), annál nagyobb a hőkapacitása; de fajlagos hője változatlan.

Ez a tulajdonság a nyomástól, a hőmérséklettől és a térfogattól függ; az egyszerű megértés érdekében azonban a megfelelő variációkat kihagyták.

Mi a fajlagos hő?

Meghatározták, hogy egy adott anyag milyen fajlagos hőt jelent. Valódi jelentését azonban jobban meg lehet fejezni a képlettel, amely egységein keresztül világossá teszi azokat a hézagokat, amelyeket magában foglal, amikor a változókat elemzik, amelyektől függ. Képlete:

Ce = Q / ΔT m

Ahol Q az abszorbeált hő, ΔT a hőmérséklet változása, m pedig az anyag tömege; hogy a meghatározás szerint egy grammnak felel meg. Elemeinek elemzésével:

Ce = J / ºC · g

A következőképpen fejezhető ki:

Ce = kJ / Kg

Ce = J / ºC · kg

Az elsõ a legegyszerûbb, és ezzel a példákkal foglalkozunk a következõ szakaszokban.

A képlet kifejezetten megmutatja az anyag egy grammjának abszorbeált energiamennyiségét (J) egy fokban ºC-ban. Ha ezt az energiát akarjuk tisztítani, akkor a J egyenletet félre kell hagynunk:

J = Ce · ºC · g

Ez megfelelőbben és a változók szerint kifejezhető lenne:

Q = Ce ΔT m

Hogyan számolják a fajlagos hőt?

A víz referenciaként

A fenti képletben az „m” nem jelent egy gramm anyagot, mivel ezt már implicit módon megtalálják a Ce-ben. Ez a képlet nagyon hasznos különféle anyagok fajsúlyának kiszámításához kalorimetriás módszerrel.

Hogyan? A kalória meghatározását használva, amely az egy gramm víz 14,5-15,5ºC-ra való melegítéséhez szükséges energiamennyiség. ez megegyezik a 4 184 J értékkel.

A víz fajsúlya rendkívül magas, és ezt a tulajdonságot arra használják, hogy megmérjék más anyagok specifikus melegítéseit, amelyek értéke 4.184 J.

Mit jelent egy adott hő magas? Hogy jelentős ellenállást mutat a hőmérséklet növekedésének, ezért több energiát kell felvennie; vagyis a vizet sokkal hosszabb ideig kell hevíteni más anyagokkal összehasonlítva, amelyek hőforrás közelében szinte azonnal felmelegsznek.

Ezért vizet használnak kalorimetrikus mérésekhez, mivel nem tapasztal hirtelen hőmérsékleti változásokat, amikor a kémiai reakciókból felszabaduló energiát elnyeli; vagy ebben az esetben más forró anyaggal való érintkezés miatt.

Termikus egyensúly

Mivel a víznek sok hőnek el kell abszorbeálnia a hőmérsékletét, például a forró fémből származhat. Figyelembe véve a víz és a fém tömegét, hőcserélés zajlik közöttük, amíg el nem éri az úgynevezett termikus egyensúlyt.

Amikor ez megtörténik, a víz és a fém hőmérséklete egyenlő lesz. A forró fém által kibocsátott hő megegyezik a víz abszorbeált hőjével.

Matematikai fejlődés

Ezt tudva, és a fent leírt Q utolsó képlettel:

Q _víz = -Q _fém

A negatív jel azt jelzi, hogy a melegebb testből (fém) a hűtőtesthez (víz) hő jut ki. Minden anyagnak megvan a saját fajlagos hő Ce és tömege, tehát ezt a kifejezést a következőképpen kell kidolgozni:

Q _Víz = Ce _Víz · At _Víz · m _Víz = - (Ce _fém · At _Fém · m _Metal)

Az ismeretlen a Ce _Metal, mivel a termikus egyensúlyban a víz és a fém végső hőmérséklete azonos; emellett az érintkezés előtt ismertek a víz és a fém kezdeti hőmérsékletei, valamint azok tömege. Ezért a Ce _Metal-t meg kell tisztítani:

Ce _fém = (Ce _víz · ΔT _víz · m _víz) / (-ΔT _fém · m _fém)

Ne felejtsük el, hogy a Ce _víz 4,184 J / ºC · g. Ha ΔT _víz és ΔT _fém fejlődik, akkor (_Tf - T _víz) és (_Tf - T _fém) lesz. A víz felmelegszik, miközben a fém lehűl, ezért negatív jele megsokszorozódik az ΔT fémhez , így elhagyva (T _fém - T _f). Ellenkező esetben az ΔT _Metal negatív értékkel bírna, mivel _Tf kisebb (hidegebb), mint a T _Metal.

Az egyenletet ezután végül így fejezzük ki:

Ce _fém = Ce _víz · (T _f - T _víz) · m _Víz ((T _fém - T _f) · m _fém

És ezzel kiszámolják a fajlagos melegítéseket.

Számítási példa

Van egy furcsa fémből készült gömb, amelynek súlya 130 g, hőmérséklete 90ºC. Ezt egy 100 g-os víztartályba merítik 25 ° C-on, a kaloriméter belsejében. A termikus egyensúly elérésekor a tartály hőmérséklete 40 ° C-ra válik. Számítsa ki a fém Ce értékét.

A végső hőmérséklet, _Tf, 40 ° C. A többi adat ismeretében a Ce ezután közvetlenül meghatározható:

Ce _fém = (4.184 J / ° C · g · (40 - 25) ° C · 100 g) / (90-40) ° C · 130g

Ce _fém = 0,965 J / ° C · g

Vegye figyelembe, hogy a víz fajsúlya körülbelül négyszerese a fém hőképességének (4.184 / 0.965).

Ha a Ce nagyon kicsi, annál nagyobb a hajlandósága a felmelegedésre; amely hővezető képességével és diffúziójával függ össze. Egy magasabb Ce-vel rendelkező fém hajlamos több hő kibocsátására vagy veszteségére, amikor egy másik anyaggal érintkezik, mint egy másik, alacsonyabb Ce-vel rendelkező fémből.

Példák

Az alábbiakban bemutatjuk a különféle anyagok speciális melegítéseit.

Víz

A víz fajsúlya, amint azt állítottuk, 4,184 J / ° C · g.

Ennek az értéknek köszönhetően rengeteg napot tud elérni az óceánban, és a víz alig halad el észlelhető mértékben. Ez termikus különbséget eredményez, amely nem befolyásolja a tengeri életet. Például, ha úszni a strandra megy, még akkor is, ha nagyon napos van, a víz alacsonyabb, hűvösebb hőmérsékletet érez.

A forró víznek sok energiát kell szabadítania ahhoz, hogy lehűtse magát. A folyamat melegíti a keringő légtömegeket, télen a part menti régiókban kissé megemeli a (mérsékelt) hőmérsékletet.

Egy másik érdekes példa az, hogy ha nem vízből készülnénk, egy nap a napban halálos lehet, mert testünk hőmérséklete gyorsan emelkedik.

A Ce ezen egyedülálló értéke az intermolekuláris hidrogénkötéseknek köszönhető. Ezek elnyelik a hőt, hogy lebontják, tehát energiát tárolnak. Mindaddig, amíg nem törnek, a vízmolekulák nem képesek rezegni, növelve az átlagos kinetikus energiát, ami a hőmérséklet növekedésében tükröződik.

Jég

A jég fajlagos hője 2 090 J / ºC · g. Akárcsak a vízé, szokatlanul magas az értéke. Ez azt jelenti, hogy például egy jéghegynek hatalmas mennyiségű hőt kell elnyelnie, hogy hőmérséklete megemelkedjen. Néhány jéghegy ma azonban még felszívta az olvadáshoz szükséges hőt (látens fúziós hő).

Alumínium

Az alumínium fajlagos hője 0,900 J / ºC · g. Ez kissé alacsonyabb, mint a gömbben lévő fémé (0,965 J / ºC · g). Itt a hő elnyelődik az alumínium fématomjainak rezgésében a kristályszerkezetükben, nem pedig az egyes molekulák által, amelyeket az intermolekuláris erők tartanak együtt.

Vas

A vas fajlagos hőmennyisége 0,444 J / ºC · g. Kevesebb, mint alumínium, ez azt jelenti, hogy kevesebb ellenállást kínál hevítéskor; Vagyis a tűz előtt egy darab vas sokkal korábban forrósul meg, mint egy darab alumínium.

Az alumínium jobban ellenáll a hevítésnek, és hosszabb ideig tartja az ételeket melegen, ha a híres alumíniumfóliát snack csomagolására használják.

Levegő

A levegő fajlagos hője körülbelül 1,003 J / ºC · g. Ezt az értéket erősen befolyásolja a nyomás és a hőmérséklet, mivel gáznemű keverékből áll. Itt a hő elnyelődik a nitrogén, oxigén, szén-dioxid, argon stb. Molekuláinak rezgésére.

Ezüst

Végül az ezüst fajlagos hője 0,234 J / ºC · g. Az összes említett anyagból a legalacsonyabb Ce-értékkel rendelkezik, ami azt jelenti, hogy ha vas és alumínium érintkezik, egy darab ezüst sokkal jobban felmelegszik, mint a másik két fémek. Valójában harmonizál magas hővezető képességével.

Irodalom

1. Serway és Jewett. (2008). Fizika: a tudomány és a technika számára. (Hetedik kiadás), 1. kötet, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kémia. (Nyolcadik kiadás). Cengage tanulás.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. november 5.) Fajlagos hőkapacitás a kémiában. Helyreállítva: gondolat.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Fajlagos hő. Helyreállítva: scienceworld.wolfram.com
5. R hajó. (2016). Fajlagos hő. Georgia állambeli egyetem. Helyreállítva: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Fajlagos hő. Helyreállítva: es.wikipedia.org