Специфична топлина — дефиниция, формула и значение в термодинамиката
Разберете специфичната топлина, нейната формула и роля в термодинамиката — изчисления, примери и приложения за различни вещества и материали.
Специфичната топлина (s) е специфичен вид топлинен капацитет. Специфичната топлина е термодинамично свойство, което определя количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на единица маса от дадено вещество с един градус. За веществата се наблюдават различни диапазони на стойностите на специфичната топлина в зависимост от степента, в която те поглъщат топлина. Терминът "топлинен капацитет" може да бъде подвеждащ, тъй като топлината q е терминът, с който се обозначава добавянето или отнемането на енергия през бариера на дадено вещество или система в резултат на съответно повишаване или намаляване на температурата. Промените в температурата всъщност са промени в енергията. Следователно специфичната топлина и другите форми на топлинен капацитет са по-точни мерки за способността на веществото да поглъща енергия при повишаване на температурата на веществото.
Формула и единици
Формула: Количеството топлина, необходимо за промяна на температурата на маса m от вещество с конкретна специфична топлина c и промяна на температурата ΔT, се дава от:
q = m · c · ΔT
Оттук специфичната топлина може да се изрази като:
c = q / (m · ΔT)
Единици: в SI системата специфичната топлина се измерва в джоули на килограм и келвин (J·kg⁻¹·K⁻¹). Често използвани и исторически единици са калории на грам и градус (cal·g⁻¹·°C⁻¹), като 1 cal ≈ 4.186 J.
Видове специфична топлина
- Масова специфична топлина (обикновено означавана с c или понякога s) — топлина на единица маса (J·kg⁻¹·K⁻¹).
- Молярна топлина — топлина на мол вещество при повишаване на температурата с един градус (J·mol⁻¹·K⁻¹). Понякога се означава с C_m.
- Топлина при константен обем и при константно налягане: за газовите и някои други системи се различават c_v (специфична топлина при константен обем) и c_p (специфична топлина при константно налягане).
Отношение между топлинен капацитет и специфична топлина
Топлинният капацитет на система C е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на цялата система с един градус. Той се свързва със специфичната топлина чрез масата:
C = m · c
За моларни величини: C_m = M · c, където M е моларната маса.
Примери и числови изчисления
Пример: ако имаме 2 kg вода (приблизително c = 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹) и искаме да я загреем с ΔT = 10 K, необходимата топлина е:
q = m · c · ΔT = 2 · 4184 · 10 = 83 680 J
Зависимост от температура и фаза
Стойността на специфичната топлина може да зависи от температурата и от фазата на веществото (твърдо, течно, газообразно). При преходи на фазата (напр. топене, изпарение) е необходима допълнителна латентна топлина, която не се описва от специфичната топлина (тъй като температурата при фазов преход не се променя въпреки добавянето на топлина).
Значение в термодинамиката и приложения
- Определя как даден материал съхранява и отдава топлинна енергия — важна характеристика при проектиране на топлообменници, изолации и охлаждащи системи.
- Влияе върху динамиката на климатичната система и акумулацията на топлина в океани и атмосфера.
- Използва се при изчисления за двигатели, котли, електронно охлаждане и материали за съхранение на енергия.
- В химията и физиката специфичната топлина помага да се свържат макроскопичните измервания с микроскопската структура и степените на свобода на частиците (напр. Dulong–Petit закон за твърди тела: приблизително 3R ≈ 25 J·mol⁻¹·K⁻¹ за много метални елементи при стайна температура).
Измерване
Специфичната топлина се измерва с калориметрия — например чрез метод на смесване в калориметър или с помощта на диференциална сканираща калориметрия (DSC). Практически измервания изискват контрол над загубите на топлина и точни измервания на маса, температура и въведена топлина.
Кратко резюме
Специфичната топлина е количество, което свързва подадената или отнетата топлина с промяната на температурата за единица маса. Изразява се чрез c = q/(m·ΔT), основните единици са J·kg⁻¹·K⁻¹, а знанието за специфичната топлина е ключово за проектиране, анализ и управление на топлинните процеси в инженерството, природните науки и приложните технологии.
Единици
Мерните единици са много важни за изразяването на всяко термодинамично свойство; същото важи и за специфичната топлина. Енергията под формата на топлина се изразява в джаули (J) или килоджаули (kJ), които са най-често срещаните единици, свързани с енергията. Една единица маса се измерва в грамове или килограми по отношение на специфичната топлина. На един грам е стандартната форма, използвана в таблиците със стойности на специфичната топлина, но понякога се срещат препратки, използващи един килограм. Един градус температура се измерва или по скалата на Целзий, или по скалата на Келвин, но обикновено по Целзий. Най-често използваните единици за специфична топлина са J/(g-°C).
Фактори, които определят специфичната топлина
Температура и налягане
Два фактора, които променят специфичната топлина на даден материал, са налягането и температурата. Специфичната топлина се определя при стандартно, постоянно налягане (обикновено атмосферно налягане) за материалите и обикновено се отчита при 25 °C (298,15 K). Използва се стандартна температура, тъй като специфичната топлина зависи от температурата и може да се променя при различни температурни стойности. Специфичната топлина се нарича интензивно свойство (en:Intensive and extensive properties интензивно свойство.) Докато температурата и налягането са при стандартните референтни стойности и не настъпи фазова промяна, стойността за специфичната топлина на всеки материал остава постоянна, независимо от масата на наличния материал .
Енергетични степени на свобода
Голям фактор за величината на специфичната топлина на даден материал се крие на молекулярно ниво в енергийните en:Degrees of freedom (physics and chemistry) степени на свобода, с които разполага материалът във фазата (твърдо тяло, течност или газ), в която се намира. Енергетичните степени на свобода са четири вида: транслация, ротация, вибрация и електронна. За постигането на всяка степен на свобода е необходимо минимално количество енергия. Следователно количеството енергия, което може да се съхранява в дадено вещество, зависи от вида и броя на енергетичните степени на свобода, които допринасят за веществото при дадена температура. Течностите обикновено имат повече нискоенергийни режими и повече енергетични степени на свобода, отколкото твърдите тела и повечето газове. Този по-широк диапазон от възможности в рамките на степените на свобода обикновено генерира по-големи специфични топлини за течните вещества, отколкото за твърдите тела или газовете. Тази тенденция може да се види в en:Heat capacity#Table of specific heat capacities Table of specific heat capacitiesи чрез сравняване на течна вода с твърда вода (лед), мед, калай, кислород и графит.
Употреба
Специфичната топлина се използва за изчисляване на количеството погълната топлина при добавяне на енергия към даден материал или вещество чрез повишаване на температурата в определен диапазон. Изчисляването на количеството топлина или енергия, добавено към даден материал, е сравнително лесен процес, стига да са записани началната и крайната температура на материала, да е отчетена масата на материала и да е известна специфичната топлина. Специфичната топлина, масата на материала и температурната скала трябва да са в едни и същи единици, за да се извърши точно изчислението на топлината.
Уравнението за изчисляване на топлината (q) е следното:
Q = s × m × ΔT
В уравнението s е специфичната топлина в (J/g-°C). m е масата на веществото в грамове. ΔT се отнася до промяната на температурата (°C), наблюдавана във веществото. Прието е началната температура на материала да се изважда от крайната температура след нагряването, така че ΔT е TFinal -TInitial в уравнението. Като се заместят всички стойности в уравнението и се умножат, се отменят единиците за маса и температура, като се оставят съответните единици за топлина в джаули. Подобни изчисления са полезни в en:Calorimetry calorimetry
обискирам