Specifična toplota: kaj je, enote, formule in primeri
Specifična toplota (s, pogosto tudi c) je posebna vrsta toplotne kapacitete. Gre za termodinamično lastnost snovi, ki pove, koliko toplote je treba dovesti ali odvzeti, da se enota mase snovi segreje ali ohladi za eno temperaturno enoto. Na praktični ravni to pomeni, da snovi z večjo specifično toploto za isto spremembo temperature potrebujejo več energije kot snovi z manjšo specifično toploto. Izraz toplota (q) pri tem označuje prenos energije zaradi razlike v temperaturi; spremembe temperature so torej posledica spreminjanja notranje energije snovi.
Enote in osnovna formula
Specifična toplota s običajno izrazimo v enotah J·kg-1·K-1 (enako J·kg-1·°C-1, ker je velikost stopinje K in °C enaka). Osnovna enačba, ki pove povezavo med dobljeno/odvzetno toploto, maso, specifično toploto in spremembo temperature, je:
q = m · s · ΔT
- q — prenos toplote (J)
- m — masa snovi (kg)
- s (ali c) — specifična toplota (J·kg-1·K-1)
- ΔT — sprememba temperature (K ali °C)
Toplotna kapaciteta sistema C je povezana s specifično toploto preko mase: C = m · s, pri čemer ima C enote J·K-1.
Primer izračuna
Če imate 2 kg vode (s ≈ 4184 J·kg-1·K-1) in jo segrejete za 20 °C, potrebna toplota znaša:
q = 2 kg · 4184 J·kg-1·K-1 · 20 K ≈ 167 360 J ≈ 167,4 kJ
Vrednosti specifične toplote (primeri)
- Voda (tekoča): ≈ 4184 J·kg-1·K-1 — zelo visoka, zato voda dobro shranjuje toploto.
- Zrak (približno pri konstantnem tlaku): ≈ 1005 J·kg-1·K-1.
- Aluminij: ≈ 900 J·kg-1·K-1.
- Železo: ≈ 450 J·kg-1·K-1.
- Baker: ≈ 385 J·kg-1·K-1.
Pomembne opombe in odvisnosti
- Specifična toplota je odvisna od temperature in faze snovi. Pri prehodih faz (taljenje, vrelišče) se enostavno pravilo q = m·s·ΔT ne uporablja brez dodatnih računov, saj je treba upoštevati latentno toploto.
- Za pline se loči specifična toplota pri konstantnem tlaku (c
) in pri konstantnem volumnu (c
). Pri idealnem plinu velja povezava c − c
= R (splošna plinska konstanta na enoto mase). - Specifična toplota je materialna lastnost, ki jo uporabljamo v kalorimetriji, pri načrtovanju ogrevalnih in hlajnih sistemov, pri analizah termičnih zalogov ter pri številnih inženirskih in naravoslovnih izračunih.
Na kratko: specifična toplota meri, koliko energije je potrebno za spreminjanje temperature enote mase snovi za eno enoto temperature. Razumevanje te količine pomaga pri napovedovanju odziva snovi na toplotne vplive in pri načrtovanju sistemov, kjer je prenos toplote pomemben.
Enote
Enote so zelo pomembne za izražanje vsake termodinamične lastnosti; enako velja za specifično toploto. Energija v obliki toplote se izraža v joulih (J) ali kilojoulih (kJ), ki sta najpogostejši enoti, povezani z energijo. Enota mase se pri specifični toploti meri v gramih ali kilogramih. Na en gram je standardna oblika, ki se uporablja v tabelah vrednosti specifične toplote, včasih pa zasledimo tudi navedbe z uporabo enega kilograma. Ena temperaturna stopinja se meri po Celzijevi ali Kelvinovi lestvici, vendar običajno po Celzijevi. Najpogostejše enote za specifično toploto so J/(g-°C).
Dejavniki, ki določajo specifično toploto
Temperatura in tlak
Dva dejavnika, ki spreminjata specifično toploto snovi, sta tlak in temperatura. Specifična toplota je določena pri standardnem, stalnem tlaku (običajno atmosferskem tlaku) za materiale in se običajno navaja pri 25 °C (298,15 K). Standardna temperatura se uporablja, ker je specifična toplota odvisna od temperature in se lahko spremeni pri različnih vrednostih temperature. Specifična toplota se imenuje intenzivna lastnost (sl:Intensive and extensive properties intensive property.) Dokler sta temperatura in tlak pri standardnih referenčnih vrednostih in ne pride do fazne spremembe, ostane vrednost specifične toplote katerega koli materiala konstantna ne glede na maso prisotnega materiala .
Energijske stopnje prostosti
Velik vpliv na velikost specifične toplote materiala imajo na molekularni ravni energijske en:Degrees of freedom (physics and chemistry) stopnje svobode, ki jih ima material na voljo v fazi (trdni, tekoči ali plinasti), v kateri se nahaja. Energijske stopnje svobode so štirih vrst: translacijske, rotacijske, vibracijske in elektronske. Za doseganje vsake stopnje svobode je potrebna najmanjša količina energije. Zato je količina energije, ki jo je mogoče shraniti v snovi, odvisna od vrste in števila energijskih stopenj prostosti, ki prispevajo k snovi pri določeni temperaturi. Tekočine imajo na splošno več nizkoenergijskih načinov in več energijskih stopenj prostosti kot trdne snovi in večina plinov. Ta širši razpon možnosti znotraj stopenj prostosti običajno ustvarja večje specifične toplote za tekoče snovi kot za trdne snovi ali pline. Ta trend je razviden iz en:Heat capacity#Table of specific heat capacities Table of specific heat capacities in s primerjavo tekoče vode s trdno vodo (ledom), bakrom, kositrom, kisikom in grafitom.
Uporaba
Specifična toplota se uporablja za izračun količine absorbirane toplote, ko materialu ali snovi dodamo energijo s povečanjem temperature v določenem območju. Izračun količine toplote ali energije, dodane snovi, je razmeroma enostaven postopek, če sta zabeleženi začetna in končna temperatura snovi, če je sporočena masa snovi in če je znana specifična toplota. Specifična toplota, masa materiala in temperaturna lestvica morajo biti v istih enotah, da lahko natančno izvedemo izračun toplote.
Enačba za izračun toplote (q) je naslednja:
Q = s × m × ΔT
V enačbi je s specifična toplota v (J/g-°C). m je masa snovi v gramih. ΔT pomeni spremembo temperature (°C), ki jo opazimo pri snovi. Po navadi od končne temperature po segrevanju odštejemo začetno temperaturo snovi, zato je ΔT v enačbi TFinal -TInitial. Če vse vrednosti vstavimo v enačbo in pomnožimo skozi, se enote mase in temperature izničijo, pri čemer ostanejo ustrezne enote joulov za toploto. Izračuni, kot je ta, so uporabni pri en:Calorimetry calorimetry
