Specifik varmekapacitet: Definition, enheder, formler og eksempler

Antag, at du hældte en fast mængde vand i to forskellige bægerglas. Den ene bægerglas er høj og smal, og den anden bægerglas er høj og bred. Hvis mængden af vand, der hældes i hvert bægerglas, er den samme, ville du forvente, at vandstanden er højere i det smalle bægerglas.

Bredden af disse spande er analogt med begrebet specifik varmekapacitet. I denne analogi kan vandet, der hældes i spande, tænkes som varmeenergi, der tilføjes to forskellige materialer. Stigningen i niveauet på spandene er analog med den deraf følgende temperaturstigning.
Hvad er den specifikke varmekapacitet?

Den specifikke varmekapacitet i et materiale er den mængde varmeenergi, der kræves for at hæve en enhedsmasse af dette materiale af 1 Kelvin (eller grad Celsius). SI-enhederne med specifik varmekapacitet er J /kgK (joule per kilogram × Kelvin).

Den specifikke varme varierer afhængigt af et materiales fysiske egenskaber. Som sådan er det en værdi, du typisk ser op i en tabel. Varmen Q
tilføjet til et materiale med masse m
med specifik varmekapacitet c
resulterer i en temperaturændring ΔT
bestemt af følgende forhold :
Q \u003d mc \\ Delta T Den specifikke vandvarme

Granit's specifikke varmekapacitet er 790 J /kgK, bly er 128 J /kgK, glas er 840 J /kgK, kobber er 386 J /kgK og vand er 4.186 J /kgK. Bemærk, hvor meget større vands specifikke varmekapacitet er sammenlignet med de andre stoffer på listen. Det viser sig, at vand har en af de mest høje specifikke varmekapaciteter for ethvert stof.

Stoffer med større specifikke varmekapaciteter kan have meget mere stabile temperaturer. Det vil sige, deres temperaturer vil ikke svinge så meget, når du tilføjer eller fjerner varmeenergi. (Tænk tilbage på bægerglasanalogien i begyndelsen af denne artikel. Hvis du tilføjer og trækker den samme mængde væske til det brede og det smalle bægerglas, ændres niveauet meget mindre i det brede bægerglas.)

Det er på grund af dette, at kystbyer har meget mere tempereret klima end indre byer. At være tæt på en så stor krop af vand stabiliserer deres temperaturer.

Vandets store specifikke varmekapacitet er også grunden til, at når du tager en pizza ud af ovnen, vil du stadig forbrænde dig, selv efter skorpen er kølet af . Den vandholdige sauce skal give afkald på meget mere varmeenergi, før den kan falde i temperatur sammenlignet med skorpen.
Eksempel på specifik varmekapacitet

Antag, at 10.000 J varmeenergi tilsættes til 1 kg sand ( c
_{s \u003d 840 J /kgK) oprindeligt ved 20 grader Celsius, mens den samme mængde varmeenergi tilsættes til en blanding af 0,5 kg sand og 0,5 kg vand, også oprindeligt ved 20 C. Hvordan sammenlignes sandets endelige temperatur med den endelige temperatur i sand /vandblandingen?}

Opløsning: Først skal du løse varmeformlen for ΔT
for at få:
\\ Delta T \u003d \\ frac {Q} {mc}

For sandet får du følgende temperaturændring:
\\ Delta T \u003d \\ frac {10.000} {1 \\ gange 840} \u003d 11.9 \\ text {grader}

Som giver en endelig temperatur på 31,9 C.

For blandingen af sand og vand er det lidt mere kompliceret. Du kan ikke bare opdele varmeenergien lige mellem vandet og sandet. De blandes sammen, så de skal gennemgå den samme temperaturændring.

Mens du kender den samlede varmeenergi, ved du ikke, hvor meget hver får i starten. Lad Q _{s være den mængde energi fra varme, som sandet får, og Q w
være den mængde energi, vandet får. Brug nu det faktum, at Q \u003d
Q s + Q w
for at få følgende:
Q \u003d Q_s + Q_w \u003d m_sc_s \\ Delta T + m_wc_w \\ Delta T \u003d (m_sc_s + m_wc_w) \\ Delta T}

Nu er det let at løse for ΔT:

\\ Delta T \u003d \\ frac {Q} {m_sc_s + m_wc_w}

Tilslutning af tal giver derefter:
\\ Delta T \u003d \\ frac {10.000} {0.5 \\ gange 840 + 0.5 \\ gange 4.186} \u003d 4 \\ tekst {grader}

Blandingen stiger kun med 4 C, til en finale temperatur på 24 C, markant lavere end det rene sand!