SPEZIFISCHE WÄRME: WORAUS SIE BESTEHT, WIE SIE BERECHNET WIRD UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die spezifische Wärme ist die Energiemenge, die ein Gramm eines Stoffes absorbiert werden muss, um seine Temperatur um ein Grad Celsius zu erhöhen. Es ist eine intensive physikalische Eigenschaft, da es nicht von der Masse abhängt, da es nur für ein Gramm Substanz ausgedrückt wird; Es hängt jedoch mit der Anzahl der Partikel und ihrer Molmasse sowie den intermolekularen Kräften zusammen, die sie binden.

Die von der Substanz absorbierte Energiemenge wird in Joule-Einheiten (J) und seltener in Kalorien (Cal) ausgedrückt. Im Allgemeinen wird angenommen, dass Energie durch Wärme absorbiert wird; Die Energie kann jedoch aus einer anderen Quelle stammen, beispielsweise durch Arbeiten an der Substanz (z. B. strenges Rühren).

Kochendes Wasser. Quelle: Pixabay

Das Bild oben zeigt einen Wasserkocher, aus dem die durch seine Erwärmung erzeugten Wasserdämpfe freigesetzt werden. Um das Wasser zu erhitzen, muss es die Wärme der Flamme unter dem Wasserkocher aufnehmen. Im Laufe der Zeit und abhängig von der Intensität des Feuers kocht das Wasser, wenn es seinen Siedepunkt erreicht.

Spezifische Wärme legt fest, wie viel Energie Wasser für jeden Grad ºC verbraucht, bei dem seine Temperatur steigt. Dieser Wert ist konstant, wenn unterschiedliche Wasservolumen im selben Kessel erhitzt werden, da es sich, wie eingangs gesagt, um eine intensive Eigenschaft handelt.

Was variiert, ist die Gesamtmenge an Energie, die von jeder Masse erwärmten Wassers absorbiert wird, auch als Wärmekapazität bekannt. Je größer die zu erhitzende Wassermasse ist (2, 4, 10, 20 Liter), desto größer ist ihre Wärmekapazität; aber seine spezifische Wärme bleibt gleich.

Diese Eigenschaft hängt von Druck, Temperatur und Volumen ab. Zum einfachen Verständnis werden jedoch die entsprechenden Variationen weggelassen.

Was ist spezifische Wärme?

Welche spezifische Wärme für einen bestimmten Stoff bedeutete, wurde definiert. Seine wahre Bedeutung wird jedoch besser durch seine Formel ausgedrückt, die durch seine Einheiten klar macht, welche Abstände es beinhaltet, wenn die Variablen, von denen es abhängt, analysiert werden. Die Formel lautet:

Ce = Q / ΔT m

Wobei Q die absorbierte Wärme ist, ΔT die Temperaturänderung und m die Masse der Substanz ist; das entspricht laut Definition einem Gramm. Wenn wir eine Analyse seiner Einheiten durchführen, haben wir:

Ce = J / ºC · g

Was auch folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

Ce = kJ / kg

Ce = J / ºC · kg

Die erste davon ist die einfachste, und mit dieser werden die Beispiele in den folgenden Abschnitten behandelt.

Die Formel gibt explizit die Energiemenge an, die von einem Gramm Substanz in einem Grad ºC absorbiert (J) wird. Wenn wir diese Energiemenge löschen wollten, müssten wir die Gleichung J beiseite lassen:

J = Ce · ºC · g

Das, was angemessener und gemäß den Variablen ausgedrückt wird, wäre:

Q = Ce & Dgr; T m

Wie berechnet sich die spezifische Wärme?

Wasser als Referenz

In der obigen Formel stellt 'm' kein Gramm Substanz dar, da es bereits implizit in Ce enthalten ist. Diese Formel ist sehr nützlich für die Berechnung der spezifischen Wärme verschiedener Substanzen durch Kalorimetrie.

Wie? Verwendung der Definition von Kalorien, dh der Energiemenge, die benötigt wird, um ein Gramm Wasser von 14,5 auf 15,5 ° C zu erwärmen; das ist gleich 4.184 J.

Die spezifische Wärme von Wasser ist ungewöhnlich hoch, und diese Eigenschaft wird verwendet, um die spezifische Wärme anderer Substanzen zu messen, die den Wert von 4,184 J kennen.

Was bedeutet es, wenn eine bestimmte Wärme hoch ist? Dass es einen beträchtlichen Widerstand bietet, um seine Temperatur zu erhöhen, so dass es mehr Energie absorbieren muss; Das heißt, Wasser muss im Vergleich zu anderen Substanzen, die sich in der Nähe einer Wärmequelle fast augenblicklich erwärmen, viel länger erhitzt werden.

Aus diesem Grund wird Wasser für kalorimetrische Messungen verwendet, da es keine plötzlichen Temperaturänderungen erfährt, wenn die durch chemische Reaktionen freigesetzte Energie absorbiert wird. oder in diesem Fall durch Kontakt mit einem anderen heißeren Material.

Thermisches Gleichgewicht

Da Wasser viel Wärme aufnehmen muss, um seine Temperatur zu erhöhen, kann die Wärme beispielsweise von einem heißen Metall stammen. Unter Berücksichtigung der Massen von Wasser und Metall findet ein Wärmeaustausch zwischen ihnen statt, bis das sogenannte thermische Gleichgewicht erreicht ist.

In diesem Fall gleichen sich die Temperaturen von Wasser und Metall aus. Die von heißem Metall abgegebene Wärme entspricht der von Wasser aufgenommenen.

Mathematische Entwicklung

Wenn wir das wissen und die letzte Formel für Q haben, die gerade beschrieben wurde, haben wir:

Q _Wasser = -Q _Metall

Das negative Vorzeichen zeigt an, dass Wärme vom wärmeren Körper (Metall) an den kühleren Körper (Wasser) abgegeben wird. Jede Substanz hat ihre eigene spezifische Wärme Ce und ihre eigene Masse, daher muss dieser Ausdruck wie folgt entwickelt werden:

Q _Wasser = Ce _Wasser · ΔT _Wasser · m _Wasser = - (Ce _Metall · ΔT _Metall · m _Metall )

Das Unbekannte ist Ce _Metal , da im thermischen Gleichgewicht die Endtemperatur für Wasser und Metall gleich ist; Darüber hinaus sind die Anfangstemperaturen des Wassers und des Metalls vor dem Kontakt sowie deren Massen bekannt. Daher muss Ce _Metal gelöscht werden :

Ce- _Metall = (Ce- _Wasser · ΔT- _Wasser · m _Wasser ) / (-ΔT- _Metall · m _Metall )

Ohne zu vergessen, dass Ce _Water 4,184 J / ºC · g beträgt. Wenn ΔT _Wasser und ΔT _Metall entwickelt werden , haben wir (T _f - T _Wasser ) bzw. (T _f - T _Metall ). Das Wasser erwärmt sich, während das Metall abkühlt, und deshalb multipliziert das negative Vorzeichen das austretende ΔT- _Metall (T- _Metall - _Tf ). Andernfalls hätte ΔT- _Metall einen negativen Wert, da es _Tf kleiner (kälter) als T- _{Metall ist} .

Die Gleichung wird dann schließlich folgendermaßen ausgedrückt:

Ce- _Metall = Ce- _Wasser · ( _Tf - T- _Wasser ) · m _Wasser / (T- _Metall - _Tf ) · m _Metall

Und damit werden die spezifischen Wärme berechnet.

Berechnungsbeispiel

Es gibt eine Kugel aus einem seltsamen Metall, die 130 g wiegt und eine Temperatur von 90 ° C hat. Dieses wird in einen 100 g-Behälter mit Wasser bei 25 ° C in einem Kalorimeter getaucht. Bei Erreichen des thermischen Gleichgewichts beträgt die Temperatur des Behälters 40 ° C. Berechnen Sie das Ce des Metalls.

Die Endtemperatur T _f beträgt 40 ° C. Bei Kenntnis der anderen Daten kann Ce dann direkt bestimmt werden:

Ce- _Metall = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130 g

Ce- _Metall = 0,965 J / ºC · g

Beachten Sie, dass die spezifische Wärme von Wasser etwa viermal so hoch ist wie die von Metall (4,184 / 0,965).

Wenn Ce sehr klein ist, ist seine Neigung zur Erwärmung umso größer; was mit seiner Wärmeleitfähigkeit und Diffusion zusammenhängt. Ein Metall mit einem höheren Ce neigt dazu, mehr Wärme freizusetzen oder zu verlieren, wenn es mit einem anderen Material in Kontakt kommt, verglichen mit einem anderen Metall mit einem niedrigeren Ce.

Beispiele

Spezifische Erhitzungen für verschiedene Substanzen sind unten gezeigt.

Wasser

Die spezifische Wärme von Wasser beträgt, wie angegeben, 4,184 J / ° C · g.

Dank dieses Wertes kann es viel Sonne im Meer bekommen und das Wasser wird kaum in nennenswertem Maße verdunsten. Dies führt zu einem thermischen Unterschied, der das Meeresleben nicht beeinflusst. Wenn Sie zum Beispiel zum Schwimmen an den Strand gehen, selbst wenn es draußen sehr sonnig ist, fühlt sich das Wasser niedriger und kühler an.

Heißes Wasser muss auch viel Energie freisetzen, um sich selbst zu kühlen. Dabei erwärmt es die zirkulierenden Luftmassen und erhöht die (gemäßigten) Temperaturen in den Küstenregionen im Winter etwas.

Ein weiteres interessantes Beispiel ist, dass ein Tag in der Sonne tödlich sein könnte, wenn wir nicht aus Wasser wären, da unsere Körpertemperaturen schnell ansteigen würden.

Dieser einzigartige Wert von Ce beruht auf intermolekularen Wasserstoffbrücken. Diese absorbieren Wärme, um sich zu zersetzen, und speichern so Energie. Bis sie gebrochen sind, können die Wassermoleküle nicht vibrieren, was die durchschnittliche kinetische Energie erhöht, was sich in einem Temperaturanstieg widerspiegelt.

Eis

Die spezifische Wärme von Eis beträgt 2.090 J / ºC · g. Wie das von Wasser hat es einen ungewöhnlich hohen Wert. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Eisberg eine enorme Wärmemenge aufnehmen müsste, um seine Temperatur zu erhöhen. Einige Eisberge haben heute jedoch sogar die zum Schmelzen erforderliche Wärme aufgenommen (latente Schmelzwärme).

Aluminium

Die spezifische Wärme von Aluminium beträgt 0,900 J / ºC · g. Es ist etwas niedriger als das des Metalls in der Kugel (0,965 J / ºC · g). Hier wird Wärme absorbiert, um die Metallatome von Aluminium in ihren kristallinen Strukturen zu schwingen, und nicht einzelne Moleküle, die durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden.

Eisen

Die spezifische Wärme von Eisen beträgt 0,444 J / ºC · g. Da es weniger als Aluminium ist, bedeutet es, dass es beim Erhitzen weniger Widerstand bietet. Das heißt, vor einem Brand wird ein Stück Eisen viel früher glühend heiß als ein Stück Aluminium.

Aluminium ist hitzebeständiger und hält Lebensmittel länger heiß, wenn die berühmte Aluminiumfolie zum Einwickeln von Snacks verwendet wird.

Luft

Die spezifische Luftwärme beträgt ca. 1,003 J / ºC · g. Dieser Wert ist stark Druck und Temperatur ausgesetzt, da er aus einem gasförmigen Gemisch besteht. Hier wird die Wärme absorbiert, um die Moleküle Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Argon usw. zu vibrieren.

Silber

Schließlich beträgt die spezifische Wärme für Silber 0,234 J / ºC · g. Von allen genannten Substanzen hat es den niedrigsten Ce-Wert. Dies bedeutet, dass sich ein Stück Silber bei Eisen und Aluminium gleichzeitig viel stärker erwärmen würde als die beiden anderen Metalle. Tatsächlich harmoniert es mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit.

Verweise

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