SPECIFIEKE WARMTE: WAARUIT HET BESTAAT, HOE HET WORDT BEREKEND EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025

De soortelijke warmte is de hoeveelheid energie die één gram van een stof moet worden geabsorbeerd om de temperatuur met één graad Celsius te verhogen. Het is een intensieve fysieke eigenschap, aangezien het niet afhankelijk is van massa, aangezien het slechts wordt uitgedrukt voor één gram substantie; Het is echter gerelateerd aan het aantal deeltjes en hun molaire massa, evenals de intermoleculaire krachten die ze binden.

De hoeveelheid energie die door de stof wordt geabsorbeerd, wordt uitgedrukt in eenheden van joule (J), en minder vaak, in calorieën (Cal). Over het algemeen wordt aangenomen dat energie wordt geabsorbeerd door warmte; de energie kan echter van een andere bron komen, zoals werk aan de stof (bijvoorbeeld grondig roeren).

Kokend water. Bron: Pixabay

De afbeelding hierboven toont een ketel waaruit de waterdampen die door de verwarming worden gegenereerd, vrijkomen. Om het water te verwarmen, moet het warmte absorberen van de vlam onder de ketel. Dus, naarmate de tijd verstrijkt en afhankelijk van de intensiteit van het vuur, zal het water koken wanneer het zijn kookpunt bereikt.

Specifieke warmte bepaalt hoeveel energie water verbruikt voor elke graad ºC dat de temperatuur stijgt. Deze waarde is constant als er verschillende volumes water in dezelfde ketel worden verwarmd, aangezien het, zoals in het begin gezegd, een intensieve eigenschap is.

Wat wel varieert, is de totale hoeveelheid energie die door elke massa verwarmd water wordt opgenomen, ook wel warmtecapaciteit genoemd. Hoe groter de massa te verwarmen water (2, 4, 10, 20 liter), hoe groter de warmtecapaciteit; maar zijn soortelijke warmte blijft hetzelfde.

Deze eigenschap is afhankelijk van de druk, temperatuur en volume; voor het eenvoudige begrip zijn de overeenkomstige variaties echter weggelaten.

Wat is soortelijke warmte?

Welke soortelijke warmte betekende voor een bepaalde stof, werd gedefinieerd. De ware betekenis ervan wordt echter beter uitgedrukt met de formule, die door de eenheden duidelijk maakt welke spelingen het met zich meebrengt wanneer de variabelen waarvan het afhankelijk is, worden geanalyseerd. De formule is:

Ce = Q / ΔT m

Waar Q de geabsorbeerde warmte is, ΔT de temperatuurverandering en m de massa van de stof; dat volgens de definitie overeenkomt met een gram. We doen een analyse van de eenheden die we hebben:

Ce = J / ºC · g

Dat kan ook op de volgende manieren worden uitgedrukt:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

De eerste is de eenvoudigste, en daarmee zullen de voorbeelden in de volgende secties worden benaderd.

De formule geeft expliciet aan hoeveel energie wordt opgenomen (J) door één gram stof in één graad ºC. Als we deze hoeveelheid energie wilden opruimen, zouden we de vergelijking J buiten beschouwing moeten laten:

J = Ce · ºC · g

Dat zou op een meer geschikte manier en volgens de variabelen worden uitgedrukt:

Q = Ce ΔT m

Hoe wordt de soortelijke warmte berekend?

Water als referentie

In de bovenstaande formule staat 'm' niet voor een gram stof, omdat het al impliciet in Ce wordt aangetroffen. Deze formule is erg handig voor het berekenen van de specifieke warmte van verschillende stoffen door middel van calorimetrie.

Hoe? Gebruikmakend van de definitie van calorieën, de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​gram water te verwarmen van 14,5 naar 15,5 ºC; dit is gelijk aan 4.184 J.

De soortelijke warmte van water is abnormaal hoog, en deze eigenschap wordt gebruikt om de specifieke warmte van andere stoffen te meten met de waarde van 4,184 J.

Wat betekent het dat een soortelijke warmte hoog is? Dat het een aanzienlijke weerstand biedt om zijn temperatuur te verhogen, dus het moet meer energie opnemen; dat wil zeggen, water moet veel langer worden verwarmd in vergelijking met andere stoffen, die in de buurt van een warmtebron vrijwel onmiddellijk opwarmen.

Om deze reden wordt water gebruikt bij calorimetrische metingen, omdat het geen plotselinge temperatuurveranderingen ondergaat bij het absorberen van de energie die vrijkomt bij chemische reacties; of, in dit geval, door contact met een ander heter materiaal.

Thermisch evenwicht

Omdat water veel warmte moet opnemen om de temperatuur te verhogen, kan de warmte bijvoorbeeld afkomstig zijn van een heet metaal. Rekening houdend met de massa's water en metaal, zal er een warmte-uitwisseling tussen hen plaatsvinden totdat het zogenaamde thermisch evenwicht is bereikt.

Wanneer dit gebeurt, worden de temperaturen van het water en het metaal gelijk. De warmte die wordt afgegeven door heet metaal is gelijk aan de warmte die wordt opgenomen door water.

Wiskundige ontwikkeling

Dit wetende, en met de laatste formule voor Q zojuist beschreven, hebben we:

Q _Water = -Q _Metaal

Het minteken geeft aan dat warmte wordt afgegeven van het warmere lichaam (metaal) naar het koelere lichaam (water). Elke stof heeft zijn eigen specifieke warmte Ce en zijn massa, dus deze uitdrukking moet als volgt worden ontwikkeld:

Q _Water = Ce _Water · ΔT _Water · m _Water = - (Ce _Metaal · ΔT _Metaal · m _Metaal )

Het onbekende is Ce _Metal , aangezien in thermisch evenwicht de eindtemperatuur voor zowel water als metaal hetzelfde is; Bovendien zijn de begintemperaturen van het water en het metaal bekend voordat ze in contact komen, evenals hun massa. Daarom moet Ce _Metal worden gewist :

Ce _Metaal = (Ce _Water · ΔT _Water · m _Water ) / (-ΔT _Metaal · m _Metaal )

Zonder te vergeten dat Ce _Water 4,184 J / ºC · g is. Als ΔT _Water en ΔT _Metal worden ontwikkeld , hebben we respectievelijk (T _f - T _Water ) en (T _f - T _Metal ). Het water warmt op, terwijl het metaal afkoelt, en daarom vermenigvuldigt het minteken ΔT _metaal, waardoor (T _metaal - T _f ) _overblijft . Anders zou ΔT _metaal een negatieve waarde hebben omdat het T _f kleiner (kouder) is dan T _metaal .

De vergelijking wordt dan uiteindelijk op deze manier uitgedrukt:

Ce _Metaal = Ce _Water · (T _f - T _Water ) · m _Water / (T _Metaal - T _f ) · m _Metaal

En daarmee worden de specifieke heats berekend.

Rekenvoorbeeld

Er is een bol van een vreemd metaal die 130 gram weegt en een temperatuur heeft van 90ºC. Dit wordt ondergedompeld in een container van 100 g water van 25 ° C, in een calorimeter. Bij het bereiken van thermisch evenwicht wordt de temperatuur van de container 40 ° C. Bereken de Ce van het metaal.

De eindtemperatuur, T _f , is 40 ° C. Met de overige gegevens kan Ce dan direct worden bepaald:

Ce _Metaal = (4,184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130 g

Ce _Metaal = 0,965 J / ºC · g

Merk op dat de soortelijke warmte van water ongeveer vier keer die van metaal is (4,184 / 0,965).

Als Ce erg klein is, des te groter de neiging tot opwarmen; die verband houdt met zijn thermische geleidbaarheid en diffusie. Een metaal met een hogere Ce zal meer warmte afgeven of verliezen wanneer het in contact komt met een ander materiaal, vergeleken met een ander metaal met een lagere Ce.

Voorbeelden

Specifieke heats voor verschillende stoffen worden hieronder weergegeven.

Water

De soortelijke warmte van water is, zoals vermeld, 4,184 J / ° C-g.

Dankzij deze waarde kan hij veel zon in de oceaan krijgen en zal het water nauwelijks merkbaar verdampen. Dit resulteert in een thermisch verschil dat geen invloed heeft op het zeeleven. Als je bijvoorbeeld naar het strand gaat om te zwemmen, zelfs als het buiten erg zonnig is, voelt het water een lagere, koelere temperatuur aan.

Heet water heeft ook veel energie nodig om zichzelf te koelen. Daarbij verwarmt het de circulerende luchtmassa's, waardoor (gematigde) temperaturen in de kustregio's in de winter enigszins stijgen.

Een ander interessant voorbeeld is dat als we niet van water waren gemaakt, een dag in de zon dodelijk zou kunnen zijn, omdat onze lichaamstemperatuur snel zou stijgen.

Deze unieke waarde van Ce is te danken aan intermoleculaire waterstofbruggen. Deze absorberen warmte om af te breken, dus slaan ze energie op. Totdat ze gebroken zijn, zullen de watermoleculen niet kunnen trillen, waardoor de gemiddelde kinetische energie toeneemt, wat tot uiting komt in een stijging van de temperatuur.

Ijs

De soortelijke warmte van ijs is 2.090 J / ºC · g. Net als dat van water heeft het een ongewoon hoge waarde. Dit betekent dat bijvoorbeeld een ijsberg enorm veel warmte zou moeten opnemen om zijn temperatuur te verhogen. Sommige ijsbergen hebben tegenwoordig echter zelfs de warmte opgenomen die nodig is om te smelten (latente smeltwarmte).

Aluminium

De soortelijke warmte van aluminium is 0,900 J / ºC · g. Het is iets lager dan dat van het metaal in de bol (0,965 J / ºC · g). Hier wordt de warmte geabsorbeerd om de metaalatomen van aluminium in hun kristallijne structuren te laten trillen, en niet om individuele moleculen bij elkaar te houden door intermoleculaire krachten.

Ijzer

De soortelijke warmte van ijzer is 0,444 J / ºC · g. Omdat het minder is dan aluminium, biedt het minder weerstand bij verhitting; dat wil zeggen, voor een brand zal een stuk ijzer veel eerder roodgloeiend worden dan een stuk aluminium.

Omdat aluminium beter bestand is tegen verhitting, blijft het voedsel langer warm wanneer de beroemde aluminiumfolie wordt gebruikt om snacks in te pakken.

Lucht

De soortelijke warmte van lucht is ongeveer 1,003 J / ºC · g. Deze waarde is sterk onderhevig aan drukken en temperaturen omdat het uit een gasvormig mengsel bestaat. Hier wordt de warmte geabsorbeerd om de moleculen stikstof, zuurstof, kooldioxide, argon, etc. te laten trillen.

Zilver

Ten slotte is de soortelijke warmte voor zilver 0,234 J / ºC · g. Van alle genoemde stoffen heeft het de laagste Ce-waarde, wat betekent dat een stuk zilver bij ijzer en aluminium veel meer opwarmt op hetzelfde moment als de andere twee metalen. In feite harmoniseert het met zijn hoge thermische geleidbaarheid.

Referenties

1. Serway & Jewett. (2008). Fysica: voor wetenschap en techniek. (Zevende editie), deel 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chemie. (Achtste editie). Cengage leren.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 november 2018). Specifieke warmtecapaciteit in de chemie. Hersteld van: thoughtco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Specifieke hitte. Hersteld van: scienceworld.wolfram.com
5. R Schip. (2016). Specifieke hitte. Georgia State University. Hersteld van: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Specifieke hitte. Hersteld van: es.wikipedia.org