- Özgül ısı nedir?
- Özgül ısı nasıl hesaplanır?
- Referans olarak su
- Termal denge
- Matematiksel gelişim
- Hesaplama örneği
- Örnekler
- Su
- buz
- Alüminyum
- Demir
- Hava
- Gümüş
- Referanslar
Belirli bir ısı enerjisi miktarı sıcaklığını arttırmak için bir madde, bir gram emilecek göre bir derece. Sadece bir gram madde için ifade edildiği için kütleye bağlı olmadığı için yoğun bir fiziksel özelliktir; bununla birlikte, parçacıkların sayısı ve molar kütleleri ile onları bağlayan moleküller arası kuvvetlerle ilgilidir.
Madde tarafından emilen enerji miktarı joule (J) birimleri ve daha az yaygın olarak kalori (Cal) cinsinden ifade edilir. Genel olarak, enerjinin ısı yoluyla emildiği varsayılır; ancak enerji, madde üzerinde yapılan iş gibi başka bir kaynaktan gelebilir (örneğin, şiddetli karıştırma).
Kaynayan su. Kaynak: Pixabay
Yukarıdaki görüntü, ısınmasıyla oluşan su buharının serbest bırakıldığı bir su ısıtıcısını göstermektedir. Suyu ısıtmak için, su ısıtıcısının altında bulunan alevden ısıyı emmesi gerekir. Böylece zaman geçtikçe ve ateşin yoğunluğuna bağlı olarak su kaynama noktasına geldiğinde kaynayacaktır.
Özgül ısı, sıcaklığının arttığı her derece ºC için suyun ne kadar enerji tükettiğini belirler. Aynı su ısıtıcısında farklı hacimlerde su ısıtıldığında bu değer sabittir, çünkü başta söylendiği gibi yoğun bir özelliktir.
Değişen, ısı kapasitesi olarak da bilinen her bir ısıtılmış su kütlesi tarafından emilen toplam enerji miktarıdır. Isıtılacak su kütlesi ne kadar büyükse (2, 4, 10, 20 litre), ısı kapasitesi o kadar büyük olur; ancak özgül ısısı aynı kalır.
Bu özellik basınca, sıcaklığa ve hacme bağlıdır; ancak, basit bir anlayış adına, bunlara karşılık gelen varyasyonları ihmal edilmiştir.
Özgül ısı nedir?
Belirli bir madde için hangi özgül ısı tanımlandı. Bununla birlikte, gerçek anlamı formülüyle daha iyi ifade edilir, bu da bağlı olduğu değişkenler analiz edildiğinde içerdiği boşlukların hangileri olduğunu açıklığa kavuşturur. Formülü:
Ce = Q / ΔT m
Q soğurulan ısı olduğunda, ΔT sıcaklıktaki değişim ve m maddenin kütlesidir; tanımına göre bir grama karşılık gelir. Sahip olduğumuz birimlerinin bir analizini yapıyoruz:
Ce = J / ºC · g
Bu, aşağıdaki şekillerde de ifade edilebilir:
Ce = kJ / K g
Ce = J / ºC · Kg
Bunlardan ilki en basit olanıdır ve aşağıdaki bölümlerde örneklere değinilecektir.
Formül, bir gram madde tarafından bir derece C'de emilen enerji miktarını (J) açıkça gösterir. Bu miktardaki enerjiyi temizlemek isteseydik, J denklemini bir kenara bırakmamız gerekirdi:
J = Ce · ºC · g
Daha uygun bir şekilde ve değişkenlere göre ifade edilenler:
Q = Ce ΔT m
Özgül ısı nasıl hesaplanır?
Referans olarak su
Yukarıdaki formülde, 'm' bir gram maddeyi temsil etmez, çünkü halihazırda Ce'de dolaylı olarak bulunur. Bu formül, çeşitli maddelerin özel ısılarını kalorimetre yoluyla hesaplamak için çok faydalıdır.
Nasıl? Bir gram suyu 14,5 ila 15,5 waterC arasında ısıtmak için gereken enerji miktarı olan kalori tanımını kullanarak; bu 4,184 J'ye eşittir.
Suyun özgül ısısı anormal derecede yüksektir ve bu özellik, 4.184 J değerini bilen diğer maddelerin özgül ısılarını ölçmek için kullanılır.
Belirli bir ısının yüksek olması ne anlama geliyor? Sıcaklığını artırmak için önemli bir direnç sunması, dolayısıyla daha fazla enerji emmesi gerekir; yani suyun, bir ısı kaynağının yakınında neredeyse anında ısınan diğer maddelere kıyasla çok daha uzun süre ısıtılması gerekir.
Bu nedenle kalorimetrik ölçümlerde su kullanılır, çünkü kimyasal reaksiyonlardan açığa çıkan enerjiyi emerken ani sıcaklık değişimleri yaşamaz; veya bu durumda başka bir sıcak malzeme ile temastan.
Termal denge
Suyun sıcaklığını artırmak için çok fazla ısı emmesi gerektiğinden, ısı örneğin sıcak bir metalden gelebilir. Su ve metal kütleleri hesaba katıldığında, aralarında termal dengeye ulaşılana kadar bir ısı değişimi gerçekleşecektir.
Bu gerçekleştiğinde, su ve metalin sıcaklıkları eşitlenir. Sıcak metal tarafından verilen ısı, su tarafından emilen ısıya eşittir.
Matematiksel gelişim
Bunu bilerek ve Q için az önce açıklanan son formülle, elimizde:
Q Su = -Q Metal
Negatif işareti, ısının daha sıcak gövdeden (metal) daha soğuk gövdeye (su) salındığını gösterir. Her maddenin kendine özgü Ce ısısı ve kütlesi vardır, bu nedenle bu ifade aşağıdaki gibi geliştirilmelidir:
Q Su = Ce Su · ΔT Su · m Su = - (Ce Metal · ΔT Metal · m Metal )
Bilinmeyen, Ce Metal'dir , çünkü termal dengede hem su hem de metal için son sıcaklık aynıdır; ayrıca suyun ve metalin başlangıç sıcaklıkları, temas etmeden önce ve kütleleri bilinmektedir. Bu nedenle, Ce Metal silinmelidir :
Ce Metal = (Ce Su · ΔT Su · m Su ) / (-ΔT Metal · m Metal )
Ce Suyunun 4,184 J / ºC · g olduğunu unutmadan . ΔT Su ve ΔT Metal geliştirilirse , sırasıyla (T f - T Su ) ve (T f - T Metal ) olur. Metal soğurken su ısınır ve bu nedenle eksi işareti ΔT Metal'i çarparak (T Metal - T f ) bırakır . Aksi takdirde, AT metal , T, çünkü bir negatif değere sahip olur f T daha küçük (Colder) Metal .
Denklem daha sonra şu şekilde ifade edilir:
Ce Metal = Ce Su · (T f - T Su ) · m Su / (T Metal - T f ) · m Metal
Ve bununla birlikte spesifik ısılar hesaplanır.
Hesaplama örneği
130 gr ağırlığında ve sıcaklığı 90C olan garip bir metal küre var. Bu, bir kalorimetre içinde 25ºC'de 100 g'lık bir su kabına daldırılır. Termal dengeye ulaşıldığında, kabın sıcaklığı 40 ° C olur. Metalin Ce'sini hesaplayın.
Nihai sıcaklık, T f , 40 ° C Diğer verileri bilerek, Ce daha sonra doğrudan belirlenebilir:
Ce Metal = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g
Ce Metal = 0,965 J / ºC · g
Suyun özgül ısısının metalinkinin yaklaşık dört katı olduğuna dikkat edin (4.184 / 0.965).
Ce çok küçük olduğunda ısınma eğilimi o kadar artar; termal iletkenliği ve difüzyonu ile ilgilidir. Daha yüksek Ce'ye sahip bir metal, başka bir malzeme ile temas ettiğinde, daha düşük Ce'ye sahip başka bir metale kıyasla daha fazla ısı salma veya daha fazla kaybetme eğiliminde olacaktır.
Örnekler
Farklı maddeler için özel ısılar aşağıda gösterilmiştir.
Su
Suyun özgül ısısı belirtildiği gibi 4.184 J / ° C · g'dir.
Bu değer sayesinde, okyanusta çok fazla güneş alabilir ve su, kayda değer bir dereceye kadar zorlukla buharlaşır. Bu, deniz yaşamını etkilemeyen bir termal farklılık ile sonuçlanır. Örneğin, yüzmek için plaja gittiğinizde, dışarısı çok güneşli olsa bile, su daha düşük, daha soğuk bir sıcaklık hissediyor.
Sıcak suyun da soğuması için çok fazla enerji salması gerekir. Bu süreçte dolaşan hava kütlelerini ısıtır, kış aylarında kıyı bölgelerinde sıcaklıkları biraz yükseltir (ılıman).
Bir başka ilginç örnek de, sudan yapılmasaydık, güneşte bir gün ölümcül olabilirdi çünkü vücut sıcaklıklarımız hızla yükselirdi.
Ce'nin bu benzersiz değeri, moleküller arası hidrojen bağlarından kaynaklanmaktadır. Bunlar ısıyı parçalamak için emer, böylece enerji depolarlar. Su molekülleri, kırılana kadar, sıcaklık artışına yansıyan ortalama kinetik enerjiyi artırarak titreşemeyecektir.
buz
Özgül buz ısısı 2,090 J / ºC · g'dır. Su gibi, alışılmadık derecede yüksek bir değere sahiptir. Bu, örneğin bir buzdağının sıcaklığını artırmak için muazzam miktarda ısı emmesi gerektiği anlamına gelir. Bununla birlikte, bugün bazı buzdağları erimek için gereken ısıyı (gizli füzyon ısısı) bile emmişlerdir.
Alüminyum
Alüminyumun özgül ısısı 0,900 J / ºC · g'dır. Küredeki metalden biraz daha düşüktür (0,965 J / ºC · g). Burada ısı, moleküller arası kuvvetler tarafından bir arada tutulan tek tek molekülleri değil, kristal yapılarında alüminyumun metal atomlarını titreştirmek için emilir.
Demir
Demirin özgül ısısı 0.444 J / ºC · g'dır. Alüminyumdan daha az olması, ısıtıldığında daha az direnç sunduğu anlamına gelir; yani, yangından önce bir demir parçası, bir alüminyum parçasından çok daha erken kızarır.
Alüminyum, ısınmaya daha dirençli olduğundan, atıştırmalıkları sarmak için ünlü alüminyum folyo kullanıldığında yiyecekleri daha uzun süre sıcak tutar.
Hava
Havanın özgül ısısı yaklaşık 1.003 J / ºC · g'dır. Bu değer, gazlı bir karışımdan oluştuğu için yüksek basınç ve sıcaklıklara tabidir. Burada ısı, nitrojen, oksijen, karbondioksit, argon vb. Moleküllerini titreştirmek için emilir.
Gümüş
Son olarak, gümüş için özgül ısı 0.234 J / ºC · g'dır. Bahsedilen tüm maddeler arasında en düşük Ce değerine sahiptir Bu, demir ve alüminyum ile karşılaşıldığında, bir gümüş parçasının aynı anda diğer iki metale göre çok daha fazla ısınacağı anlamına gelir. Aslında yüksek ısı iletkenliği ile uyum sağlar.
Referanslar
- Serway ve Jewett. (2008). Fizik: bilim ve mühendislik için. (Yedinci Baskı), Cilt 1, Cengage Learning.
- Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kimya. (Sekizinci baskı). Cengage Learning.
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 Kasım 2018). Kimyada Özgül Isı Kapasitesi. Kurtarıldı: thinkco.com
- Eric W. Weisstein. (2007). Özısı. Kurtarıldı: scienceworld.wolfram.com
- R Gemi. (2016). Özısı. Georgia Eyalet Üniversitesi. Kurtarıldı: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Vikipedi. (2019). Özısı. Es.wikipedia.org adresinden kurtarıldı