Isı Kapasitesi Nedir?

İçerik

• Termodinamik Bilimi
• Isı Kapasitesi Nedir?
• Isı Kapasitesi: Basit Hesaplamalar
• Cp Cv Oranı γ Nedir?
• Havanın Cp ve Cv'si

Isı kapasitesi Fizikte, bir dereceye kadar sıcaklığını 1 santigrat derece yükseltmek için bir maddeye ne kadar ısı eklenmesi gerektiğini tanımlayan bir terimdir. Bu, ancak bunlardan farklı özısıbu, bir cismin tam olarak 1 gramını (veya başka bir sabit kütle birimini) 1 santigrat derece yükseltmek için gereken ısıdır. Bir madde ısı kapasitesini (C) kendi özgül ısısından türetmek S, mevcut madde miktarıyla çarpma ve problem boyunca aynı kütle birimlerini kullandığınızdan emin olunmasıdır. Isı kapasitesi, sade bir ifadeyle, ısı enerjisi ilavesiyle ısınmaya karşı direnç gösterebilen nesnelerin bir endeksidir.

Madde katı, sıvı veya gaz halinde bulunabilir. Gazlar durumunda, ısı kapasitesi hem ortam basıncına hem de ortam sıcaklığına bağlı olabilir. Bilim adamları genellikle bir gazın ısı basıncını sabit bir basınçta bilmek isterken, sıcaklık gibi diğer değişkenlerin değişmesine izin verilir; bu C olarak bilinir_p. Benzer şekilde, sabit bir hacimdeki veya C'deki bir gaz ısı kapasitesi belirlemek de faydalı olabilir._v. C oranı_p C'ye_v bir gazın termodinamik özellikleri hakkında hayati bilgiler sunar.

Termodinamik Bilimi

Isı kapasitesi ve spesifik ısı tartışmasına başlamadan önce, ilk önce fizikte ısı transferinin temellerini ve genel olarak ısı kavramını anlamak ve disiplinin bazı temel denklemlerini tanımak faydalı olacaktır.

Termodinamik bir sistemin işi ve enerjisi ile uğraşan fiziğin dalıdır. İş, enerji ve ısı, farklı anlam ve uygulamalara rağmen fizikte aynı birimlere sahiptir. SI (standart uluslararası) ısı birimi joule'dir. İş, mesafeyle çarpılan kuvvet olarak tanımlanır, bu nedenle, bu miktarların her biri için SI birimlerine göz atıldığında, bir joule, bir newton metreyle aynı şeydir. Isıyla karşılaşmanız muhtemel diğer birimler arasında kalori (cal), İngiliz ısı birimi (btu) ve erg bulunur.(Gıda beslenme etiketlerinde gördüğünüz “kalorilerin” aslında kilokalori olduğunu, “kilo-” nun “bin” anlamına gelen Yunan ön eki olduğunu; bu nedenle, 12 onsluk bir soda kutusunun 120 içerdiğini gözlemlediğinizde “ kaloriler, "Bu aslında resmi fiziksel terimlerle 120.000 kaloriye eşittir.)

Gazlar sıvılardan ve katı maddelerden farklı davranır. Bu nedenle, aerodinamik ve ilgili disiplinlerin dünyasında fizikçiler, hava ve diğer gazların yüksek hızlı motorlar ve uçan makinelerle çalışmalarındaki davranışları ile doğal olarak ilgileniyorlar, ısı kapasitesi ve diğer ölçülebilir fiziksel parametreler ile ilgili özel endişeleri var. Bu durumda önemli. Bir örnek toplu ısıkapalı bir sistemin iç ısısının bir ölçüsüdür. Sistemin enerjisinin, basınç ve hacminin toplamının toplamıdır:

H = E + PV

Daha spesifik olarak, entalpi içindeki değişim, ilişkideki gaz hacmindeki değişiklik ile ilgilidir:

∆H = E + P∆V

Yunan sembolü ∆ veya delta, fizik ve matematik konvansiyonuyla "değişim" veya "fark" anlamına gelir. Ek olarak, basınç zaman hacminin iş birimi verdiğini doğrulayabilirsiniz; basınç newton / m cinsinden ölçülür², hacim m olarak ifade edilebilir³.

Ayrıca, bir gazın basıncı ve hacmi denklemle ilgilidir:

P∆V = R∆T

buradaki T, sıcaklıktır ve R, her bir gaz için farklı bir değere sahip bir sabittir.

Bu denklemleri belleğe aktarmanıza gerek yoktur, ancak daha sonra C ile ilgili tartışmada tekrar ele alınacaktır._p ve C_v.

Isı Kapasitesi Nedir?

Belirtildiği gibi, ısı kapasitesi ve spesifik ısı ilgili miktarlardır. Birincisi aslında ikinciden ortaya çıkar. Spesifik ısı bir durum değişkenidir, yani bir maddenin sadece içsel özelliklerine bağlı olduğu anlamına gelir, bunun ne kadarının mevcut olduğu ile ilgili değildir. Bu nedenle birim kütle başına ısı olarak ifade edilir. Öte yandan, ısı kapasitesi, söz konusu maddenin ne kadarının bir ısı transferi geçirdiğine bağlıdır ve bu bir durum değişkeni değildir.

Bütün maddelerin kendisiyle ilişkili bir sıcaklığı vardır. Bu, bir nesneyi fark ettiğinizde akla gelen ilk şey olmayabilir (“Bu kitabın ne kadar sıcak olduğunu merak ediyorum?”), Ancak bu arada, bilim insanlarının mutlak sıfır sıcaklığına ulaşmayı asla başaramadıklarını öğrenmiş olabilirsiniz. Her koşulda, agonizingly yaklaşmış olsalar bile. (İnsanların böyle bir şeyi yapmayı hedeflemelerinin nedeni, aşırı soğuk malzemelerin son derece yüksek iletkenlik özellikleriyle ilgilidir; sadece dirençsiz fiziksel bir elektrik iletkeni değerini düşünün.) Sıcaklık, moleküllerin hareketinin bir ölçüsüdür. . Katı malzemelerde, madde kafes veya ızgarada düzenlenir ve moleküller hareket etmekte serbest değildir. Bir sıvıda, moleküller hareket etmekte daha serbesttirler, ancak yine de büyük ölçüde kısıtlıdırlar. Bir gazda, moleküller çok serbestçe hareket edebilir. Her durumda, sadece düşük sıcaklığın çok az moleküler hareket anlamına geldiğini unutmayın.

Kendiniz de dahil olmak üzere bir nesneyi bir fiziksel konumdan diğerine taşımak istediğinizde, bunun için enerji harcamalısınız - ya da alternatif olarak, çalışmalısınız. Bir odanın içinde kalkıp yürümelisiniz ya da yakıtı motoruna doğru zorlamak ve aracı hareket etmeye zorlamak için arabanın gaz pedalına basmanız gerekir. Benzer şekilde, mikro düzeyde, moleküllerini hareket ettirmek için bir sisteme enerji girişi gerekir. Eğer bu enerji girişi moleküler harekette bir artışa neden olmak için yeterliyse, o zaman yukarıdaki tartışmaya dayanarak, bu maddenin sıcaklığının da arttığına işaret eder.

Farklı ortak maddeler, çok çeşitli spesifik ısı değerlerine sahiptir. Örneğin metaller arasında, altın 0.129 J / g ° C'de kontrol eder, bu da 0.129 joule ısının 1 gram altın sıcaklığını 1 santigrat derece yükseltmesi için yeterli olduğu anlamına gelir. Unutmayın, bu değer mevcut altın miktarına bağlı olarak değişmez, çünkü kütle belirli ısı birimlerinin paydasında zaten var. Yakında keşfedeceğiniz gibi, ısı kapasitesi için durum böyle değildir.

Isı Kapasitesi: Basit Hesaplamalar

Sizi tanıtan fizik öğrencilerinin, 4.179 su sıcaklığının, genel metallerden çok daha yüksek olduğunu şaşırttı. (Bu makalede, spesifik ısının tüm değerleri J / g ° C'de verilmiştir.) Ayrıca, 2.03 buzun ısı kapasitesi, her ikisi de H'den oluşmasına rağmen suyun yarısından azdır.₂O. Bu, bir bileşiğin durumunun, sadece moleküler yapısının değil, özgül ısının değerini etkilediğini göstermektedir.

Her halükarda, 150 C demirin (özgül bir ısıya sahip olan veya S, 0.450 olan S) sıcaklığını 5 C'ye yükseltmek için ne kadar ısı gerektiğini belirlemeniz istendiğini söyleyin.

Hesaplama çok basittir; S spesifik ısısını malzemenin miktarı ve sıcaklıktaki değişim ile çarpın. S = 0.450 J / g ° C olduğundan, J'ye eklenmesi gereken ısı miktarı (0.450) (g) (∆T) = (0.450) (150) (5) = 337.5 J’dir. Bu, 150 g demirin ısı kapasitesinin 67.5 J olduğunu, yani mevcut maddenin kütlesi ile çarpılan spesifik S ısıdan başka bir şey olmadığını söylemektedir. Açıkçası, sıvı suyun ısı kapasitesi belirli bir sıcaklıkta sabit olsa bile, Büyük Göllerden birini ısıtmak için 1 derece bile olsa on derecelik bir dereceye kadar ısınmak çok daha fazla ısı alacaktır. veya 10, hatta 50.

Cp Cv Oranı γ Nedir?

Önceki bir bölümde, gazlar için koşullu ısı kapasiteleri - yani, sıcaklığın (T) veya basıncın (P) sabit tutulduğu koşullar altında belirli bir maddeye uygulanan ısı kapasitesi değerleri tanıtıldı. sorun boyunca. Ayrıca size ∆H = E + P∆V ve P∆V = R∆T gibi temel denklemler verildi.

Son iki denklemden, entalpi değişimi ifade etmenin başka bir yolunun (∆H) olduğunu görebilirsiniz:

E + R∆T

Burada türetme yapılmamasına rağmen, kapalı sistemler için geçerli olan ve "Enerji ne yaratılır ne de yok edilir" şeklinde konuşmuş olarak duymuş olabileceğiniz ilk termodinamik yasasını ifade etmenin bir yolu:

∆E = C_vAT

Sade bir dilde, bu, bir gaz içeren bir sisteme belirli bir miktarda enerji eklendiğinde ve bu gazın hacminin değişmesine izin verilmediği anlamına gelir (C'deki alt simge ile gösterilir)._v) sıcaklığının, o gazın ısı kapasitesinin değeriyle doğru orantılı olarak yükselmesi gerekir.

Sabit basınçta ısı kapasitesinin türetilmesine olanak sağlayan bu değişkenler arasında bir başka ilişki vardır, C_p, sabit hacimden ziyade. Bu ilişki entalpi tanımlamanın başka bir yoludur:

∆H = C_pAT

Eğer cebirden haksızsanız, C arasındaki kritik bir ilişkiye ulaşabilirsiniz._v ve C_p:

C_p = C_v + R

Diğer bir deyişle, bir gazın sabit basınçta ısı kapasitesi, inceleme altındaki gazın spesifik özelliklerine bağlı olarak sabit bir R ile sabit hacimdeki ısı kapasitesinden daha büyüktür. Bu sezgisel bir anlam ifade eder; Artan iç basınca cevaben bir gazın genişlemesine izin verildiğini hayal ederseniz, belirli bir enerji ilavesine cevaben, aynı alanla sınırlı olduğundan daha az ısınması gerektiğini algılayabilirsiniz.

Son olarak, bu bilgilerin tümünü C'nin oranı olan bir başka maddeye özgü değişken olan γ tanımlamak için kullanabilirsiniz._p C'ye_vveya C_p/ C_v. Önceki denklemden, bu oranın R'nin daha yüksek değerlere sahip gazlar için arttığını görebilirsiniz.

Havanın Cp ve Cv'si

C_p ve C_v akışkan dinamiği çalışmalarında havanın her ikisi de önemlidir, çünkü hava (çoğunlukla azot ve oksijen karışımından oluşan), insanların yaşadığı en yaygın gazdır. Her iki c_p ve C_v sıcaklığa bağımlıdır ve tam olarak aynı ölçüde değildir; olduğu gibi, C_v sıcaklık arttıkça biraz daha hızlı yükselir. Bu, "sabit" fact aslında sabit olmadığı anlamına gelir, ancak şaşırtıcı bir şekilde bir dizi olası sıcaklıkta şaşırtıcı şekilde yakındır. Örneğin, 300 derecede Kelvin veya K'de (27 C'ye eşit), γ değeri 1.400; 127 K olan ve suyun kaynama noktasının oldukça üzerinde olan 400 K'lık bir sıcaklıkta γ değeri 1.395'tir.