Back to the topics list

toplinski kapacitet

Toplina je unutarnja energija molekula koje čine tijelo. Teče s vrućeg tijela na hladno tijelo kada su u kontaktu. Mjerenje količine topline naziva se kalorimetrija . Iz našeg svakodnevnog iskustva otkrivamo da različita tijela zahtijevaju različite količine toplinske energije za jednako povećanje temperature. Ovo svojstvo tijela izražava se njegovim toplinskim ili toplinskim kapacitetom. Toplinski kapacitet tijela je količina toplinske energije potrebna da se temperatura povisi za 1°C ili 1 K, a označava se simbolom C'. Na primjer, ako je toplinski kapacitet tijela 60 JK ^-1 , to znači da je potrebno 60 J toplinske energije da se temperatura tog tijela povisi za 1K ili 1°C.

Jedinice toplinskog kapaciteta
SI jedinica toplinskog kapaciteta je džul po kelvinu ili džul po stupnju C. Ostale uobičajene jedinice toplinskog kapaciteta su cal °C ^-1 i kcal °C ^-1 .
1 kcal °C ^-1 = 1000 cal °C ^-1

1 kal K ^-1 = 4,2 J K ^-1

SPECIFIČNI TOPLINSKI KAPACITET

Toplinski kapacitet tijela izražen u jedinici mase naziva se specifični toplinski kapacitet tvari tog tijela. Označava se simbolom c. Specifični toplinski kapacitet je karakteristično svojstvo tvari i različit je za različita tijela. Specifični toplinski kapacitet tvari definiran je kao toplinski kapacitet po jedinici mase tijela te tvari.

Količina toplinske energije koja se apsorbira za povećanje temperature tijela ovisi o tri čimbenika:

• Masa tijela, Q ∝ m.
• Porast tjelesne temperature, Q ∝ ∆t
• Materijal ili tvar tijela, Q ∝ c

Jedinica specifičnog toplinskog kapaciteta

SI jedinica specifičnog toplinskog kapaciteta je džul po kilogramu po kelvinu (J kg ^-1 K ^-1 ) ili džul po kilogramu po stupnju Celzija (J kg ^-1 °C ^-1 ).
Ostale jedinice specifičnog toplinskog kapaciteta su cal g ^-1 °C ^-1 i kcal kg ^-1 °C ^-1 .

1 cal g ^-1 °C ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1 K ^-1

Na primjer, ako je specifični toplinski kapacitet željeza 0,48 J∕g °C, to znači da je toplinska energija potrebna za podizanje temperature 1 g željeza za 1°C 0,48 J.

RAZLIKA IZMEĐU TOPLINSKOG KAPACITETA I SPECIFIČNOG TOPLINSKOG KAPACITETA

SPECIFIČNI TOPLINSKI KAPACITET NEKIH OBIČNIH TVARI

Specifični toplinski kapacitet je različit za različite tvari. Obično dobar vodič ima mali specifični toplinski kapacitet, dok loš vodič ima visok specifični toplinski kapacitet. Zagrijemo li jednaku masu dviju različitih tvari na istom plameniku da bismo dobili jednaku količinu topline, primijetit ćemo da je nakon istog vremenskog intervala porast temperature za dvije različite tvari različit. To je zbog njihovog različitog specifičnog toplinskog kapaciteta. Tvar s niskim specifičnim toplinskim kapacitetom pokazuje brz i visok porast temperature pa je stoga bolji vodič topline od tvari s visokim specifičnim toplinskim kapacitetom koja pokazuje spor i mali porast temperature.
Voda ima veliki specifični toplinski kapacitet (=4200 J Kg ^-1 K ^-1 ). Specifični toplinski kapacitet je različit za tvar u različitim fazama kao što je za vodu, specifični toplinski kapacitet je 4200 J Kg ^-1 K ^-1 , leda je 2100 J Kg ^-1 K ^-1 i pare je 460 J Kg ^-1 K ^-1 .

Temperatura i specifična toplina: Grafikon ispod pokazuje za koliko Celzijevih stupnjeva jedan gram određenog materijala podiže jedna kalorija topline.

Primjena

• Voda se koristi kao rashladno sredstvo: Radijatori u automobilima i generatori koriste vodu za hlađenje. Dopuštanjem da voda teče u cijevima oko zagrijanih dijelova stroja, toplinska energija iz takvih dijelova se uklanja. Voda u cijevima može izvući više topline iz okoline bez većeg porasta temperature zbog svog visokog specifičnog toplinskog kapaciteta.
• Poljoprivrednici pune svoja polja vodom kako bi zaštitili usjeve od mraza: U hladnim zimskim noćima ako atmosfera padne ispod 0 °C, voda će se u finim kapilarama biljaka smrznuti pa će žile popucati zbog povećanja volumena, a biljka umrijet će. Kako bi sačuvali usjeve u hladnim noćima, poljoprivrednici pune svoja polja vodom jer voda ima visok specifični toplinski kapacitet i ne dopušta da temperatura okoline padne do 0 °C.
• Dno posude za kuhanje je debelo: Debljanjem dna posude za kuhanje povećava se njezin toplinski kapacitet, zbog čega se sporo zagrijava i sporo predaje toplinsku energiju hrani za njezino pravilno kuhanje i nakon kuhanja održava hranu toplom dulje vrijeme.

Pitanje 1: Komad metala mase 50 g pri 30 °C zahtijeva 2400 J toplinske energije da povisi temperaturu na 330 °C. Izračunajte specifični toplinski kapacitet metala.
Rješenje: Zadano je m = 50 g, toplinska energija = 2400 J, porast temperature = 330 − 30 = 300 °C = 300 K.
Specifični toplinski kapacitet \(c = \frac{2400}{50 \times 300} = .16 \) J g ^-1 K ^-1

Pitanje 2: Koju masu tekućine A specifičnog toplinskog kapaciteta 0,84 J g ^-1 K ^-1 pri temperaturi od 40 °C treba pomiješati sa 100 g tekućine B specifičnog toplinskog kapaciteta 2,1 J g ^-1 K ^-1 pri 20 °C tako da konačna temperatura smjese postane 32 °C?
Rješenje: Pad temperature tekućine A = 40−32 = 8 °C, Porast temperature tekućine B = 32 − 20 = 12 °C
Toplinsku energiju daje m gram tekućine A = m × 0,84 × 8 J
Toplinska energija koju uzima 100 grama tekućine B = 100 × 2,1 × 12 J
Pod pretpostavkom da nema gubitka topline, toplinska energija koju daje A = toplinska energija koju uzima B
m×0,84× 8 = 100×2,1×12 ⇒ m = 375 grama