WARMTECAPACITEIT: FORMULES, EENHEDEN EN MAATREGELEN - FYSIEK - 2024

De warmtecapaciteit van een lichaam of systeem is het quotiënt tussen de warmte-energie die aan dat lichaam wordt overgedragen en de verandering in temperatuur die het tijdens dat proces ervaart. Een andere, nauwkeurigere definitie is dat het verwijst naar hoeveel warmte het nodig is om naar een lichaam of systeem over te gaan, zodat de temperatuur met één graad Kelvin stijgt.

Het gebeurt continu dat de heetste lichamen warmte afgeven aan de koudere lichamen in een proces dat duurt zolang er een temperatuurverschil is tussen de twee lichamen die met elkaar in contact staan. Warmte is dan de energie die van het ene systeem naar het andere wordt overgebracht door het simpele feit dat er een temperatuurverschil tussen de twee is.

Volgens afspraak wordt positieve warmte (Q) gedefinieerd als warmte die wordt geabsorbeerd door een systeem, en als negatieve warmte die wordt overgedragen door een systeem.

Uit het bovenstaande volgt dat niet alle objecten met hetzelfde gemak warmte opnemen en vasthouden; daardoor worden bepaalde materialen gemakkelijker warm dan andere.

Er moet rekening mee worden gehouden dat de warmtecapaciteit van een lichaam uiteindelijk afhangt van de aard en samenstelling ervan.

Formules, eenheden en maten

De warmtecapaciteit kan worden bepaald aan de hand van de volgende uitdrukking:

C = dQ / dT

Als de temperatuurverandering klein genoeg is, kan de vorige uitdrukking worden vereenvoudigd en vervangen door het volgende:

C = Q / ΔT

De meeteenheid voor warmtecapaciteit in het internationale systeem is dus de joule per kelvin (J / K).

Warmtecapaciteit kan worden gemeten bij constante druk C _p of constant volume C _v .

Specifieke hitte

Vaak hangt de warmtecapaciteit van een systeem af van de hoeveelheid stof of de massa. In dit geval, wanneer een systeem uit één enkele stof met homogene eigenschappen bestaat, is soortelijke warmte vereist, ook wel soortelijke warmtecapaciteit (c) genoemd.

De massa-soortelijke warmte is dus de hoeveelheid warmte die aan de eenheidsmassa van een stof moet worden geleverd om de temperatuur met één graad Kelvin te verhogen, en kan worden bepaald uitgaande van de volgende uitdrukking:

c = Q / m ΔT

In deze vergelijking is m de massa van de stof. Daarom is de meeteenheid voor soortelijke warmte in dit geval de Joule per kilogram per kelvin (J / kg K), of ook de Joule per gram per kelvin (J / g K).

Evenzo is molaire soortelijke warmte de hoeveelheid warmte die aan een mol van een stof moet worden geleverd om de temperatuur met één graad kelvin te verhogen. En het kan worden bepaald uit de volgende uitdrukking:

In deze uitdrukking is n het aantal mol van de stof. Dit houdt in dat de maateenheid voor soortelijke warmte in dit geval de Joule per mol per kelvin (J / mol K) is.

Specifieke warmte van water

De specifieke heats van veel stoffen zijn berekend en gemakkelijk toegankelijk in tabellen. De waarde van de soortelijke warmte van water in vloeibare toestand is 1000 calorieën / kg K = 4186 J / kg K. Integendeel, de soortelijke warmte van water in gasvormige toestand is 2080 J / kg K en in vaste toestand 2050 J / kg K.

Warmteoverdracht

Op deze manier en aangezien de specifieke waarden van de overgrote meerderheid van de stoffen al berekend zijn, is het mogelijk om de warmteoverdracht tussen twee lichamen of systemen te bepalen met de volgende uitdrukkingen:

Q = cm ΔT

Of als molaire soortelijke warmte wordt gebruikt:

Q = cn ΔT

Houd er rekening mee dat deze uitdrukkingen het mogelijk maken de warmtefluxen te bepalen, op voorwaarde dat de toestand niet verandert.

Bij toestandsveranderingsprocessen spreken we van latente warmte (L), die wordt gedefinieerd als de energie die een hoeveelheid stof nodig heeft om van fase of toestand te veranderen, hetzij van vast naar vloeibaar (smeltwarmte, L _f ) of van vloeibaar naar gasvormig (verdampingswarmte, L _v ).

Er moet rekening mee worden gehouden dat dergelijke energie in de vorm van warmte volledig wordt verbruikt bij de faseverandering en een temperatuurvariatie niet omkeert. In dergelijke gevallen zijn de uitdrukkingen om de warmteflux in een verdampingsproces te berekenen de volgende:

Q = L _v m

Als molaire soortelijke warmte wordt gebruikt: Q = L _v n

In een fusieproces: Q = L _f m

Als molaire soortelijke warmte wordt gebruikt: Q = L _f n

Over het algemeen zijn, net als bij soortelijke warmte, de latente warmte van de meeste stoffen al berekend en gemakkelijk toegankelijk in tabellen. Zo moet u bijvoorbeeld in het geval van water:

L _f = 334 kJ / kg (79,7 cal / g) bij 0 ° C; L _v = 2257 kJ / kg (539,4 cal / g) bij 100 ° C.

Voorbeeld

In het geval van water, als een massa van 1 kg bevroren water (ijs) wordt verwarmd van een temperatuur van -25 ºC tot een temperatuur van 125 ºC (waterdamp), wordt de warmte die in het proces wordt verbruikt als volgt berekend :

Fase 1

IJs van -25 ºC tot 0 ºC.

Q = cm ΔT = 2050 1 25 = 51250 J

Stage 2

Verandering van toestand van ijs naar vloeibaar water.

Q = L _f m = 334000 1 = 334000 J

Stap 3

Vloeibaar water van 0ºC tot 100ºC.

Q = cm ΔT = 4186 1100 = 418600 J

Stap 4

Verandering van toestand van vloeibaar water naar waterdamp.

Q = L _v m = 2257000 1 = 2257000 J

Stap 5

Waterdamp van 100ºC tot 125ºC.

Q = cm ΔT = 2080 1 25 = 52000 J

De totale warmteflux in het proces is dus de som van die geproduceerd in elk van de vijf fasen en resulteert in 31112850 J.

Referenties

1. Resnik, Halliday & Krane (2002). Fysica Deel 1. Cecsa.
2. Laider, Keith, J. (1993). Oxford University Press, uitg. De wereld van fysische chemie.Warmte capaciteit. (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 20 maart 2018, via en.wikipedia.org.
3. Latente warmte. (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 20 maart 2018, via en.wikipedia.org.
4. Clark, John, OE (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books.
5. Atkins, P., de Paula, J. (1978/2010). Physical Chemistry, (eerste editie 1978), negende editie 2010, Oxford University Press, Oxford UK.