6.4: Kwantyfikacja ciepła

Ciepło 

Mikroskopowo energia cieplna to energia kinetyczna związana z losowym ruchem atomów i cząsteczek. Temperatura jest ilościową miarą “gorącej” lub “zimnej”, która zależy od ilości energii cieplnej. Kiedy atomy i cząsteczki w obiekcie poruszają się lub wibrują szybko, mają wyższą średnią energię kinetyczną (KE) (lub wyższą energię cieplną), a obiekt jest postrzegany jako “gorący” lub jest opisywany jako znajdujący się w wyższej temperaturze. Kiedy atomy i cząsteczki poruszają się powoli, mają niższą średnią KE (lub niższą energię cieplną), a obiekt jest postrzegany jako “zimny” lub opisywany jako znajdujący się w niższej temperaturze. 

Zakładając, że nie zachodzi żadna reakcja chemiczna ani zmiana fazowa (taka jak topnienie lub parowanie), zwiększenie ilości energii cieplnej w próbce materii spowoduje wzrost jej temperatury, podczas gdy zmniejszenie ilości energii cieplnej w próbce materii spowoduje spadek jej temperatury.

Upał

Ciepło (q) to przenoszenie energii cieplnej między dwoma ciałami w różnych temperaturach. Przepływ ciepła zwiększa energię cieplną jednego ciała i zmniejsza energię cieplną drugiego. Ciepło przepływa spontanicznie od gorącego do zimnego (tj. tylko w jednym kierunku) i trwa do momentu, gdy obie substancje osiągną tę samą temperaturę. Zmiany ciepła są mierzone poprzez zmiany temperatury. 

Jednostką SI ciepła, pracy i energii jest dżul. Dżul (J) definiuje się jako ilość energii zużytej, gdy siła 1 niutona przesuwa obiekt o 1 metr. Został nazwany na cześć angielskiego fizyka Jamesa Prescotta Joule’a. Jeden dżul odpowiada 1 kg m²/s², który jest również nazywany 1 niutonometrem. Jeden kilodżul (kJ) to 1000 dżuli. Aby ujednolicić jego definicję, jedna kaloria została ustawiona na 4,184 dżuli.

Wymiana energii cieplnej

Pojemność cieplna (C) ciała materii to ilość ciepła (q), którą pochłania lub uwalnia, gdy doświadcza zmiany temperatury (ΔT) o 1 stopień C (lub równoważnie 1 kelwin):

Pojemność cieplna zależy zarówno od rodzaju, jak i ilości substancji, która pochłania lub uwalnia ciepło. Dlatego pojemność cieplna jest rozległą właściwością — jej wartość jest proporcjonalna do ilości substancji. Weźmy na przykład pod uwagę pojemność cieplną dwóch żeliwnych patelni. Pojemność cieplna dużej patelni jest pięciokrotnie większa niż małej patelni, ponieważ chociaż obie są wykonane z tego samego materiału, masa dużej patelni jest pięciokrotnie większa niż masa małej patelni. Większa masa oznacza, że więcej atomów jest obecnych w większej patelni, więc potrzeba więcej energii, aby wszystkie te atomy wibrowały szybciej. Pojemność cieplną małej żeliwnej patelni oblicza się, obserwując, że do podniesienia temperatury patelni o 50,0 °C (ΔT) potrzeba 18 140 J energii (q):

Większa patelnia żeliwna, choć wykonana z tej samej substancji, potrzebuje 90 700 J energii (q), aby podnieść jej temperaturę o 50,0 °C (ΔT). Większa patelnia ma (proporcjonalnie) większą pojemność cieplną, ponieważ większa ilość materiału wymaga (proporcjonalnie) większej ilości energii, aby uzyskać tę samą zmianę temperatury:

Ciepło właściwe (c) substancji, powszechnie nazywane jej “ciepłem właściwym”, to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama substancji o 1 stopień Celsjusza (lub 1 kelwin): 

Ciepło właściwe zależy tylko od rodzaju substancji pochłaniającej lub odpuszczającej ciepło. Jest to właściwość intensywna, a więc nie jest zależna od ilości substancji. Na przykład mała żeliwna patelnia ma masę 808 g. Ciepło właściwe żelaza (materiału użytego do wykonania patelni) wynosi zatem:

Duża patelnia ma masę 4040 g. Korzystając z danych dla tej patelni, możemy również obliczyć ciepło właściwe żelaza: 

Chociaż duża patelnia jest bardziej masywna niż mała patelnia, ponieważ obie są wykonane z tego samego materiału, obie dają tę samą wartość ciepła właściwego (dla materiału konstrukcyjnego, żelaza). Należy zauważyć, że ciepło właściwe jest mierzone w jednostkach energii na temperaturę na masę i jest właściwością intensywną, wynikającą ze stosunku dwóch ekstensywnych właściwości (ciepła i masy). Molowa pojemność cieplna, również właściwość intensywna, to pojemność cieplna na mol danej substancji i ma jednostki J/mol⋅°C.

Woda ma stosunkowo wysokie ciepło właściwe (około 4,2 J/g⋅°C dla cieczy i 2,09 J/g⋅°C dla ciała stałego); większość metali ma znacznie niższe ciepło właściwe (zwykle mniej niż 1 J/g⋅°C). Znając masę (m) substancji i jej ciepło właściwe (c), można określić ilość ciepła, q, wchodzącego lub wychodzącego z substancji, mierząc zmianę temperatury (ΔT) przed i po uzyskaniu lub utracie ciepła: 

Jeśli substancja zyskuje energię cieplną, jej temperatura wzrasta, jej temperatura końcowa jest wyższa niż temperatura początkowa, T_końcowa − T_początkowa ma wartość dodatnią, a wartość q jest dodatnia. Jeśli substancja traci energię cieplną, jej temperatura spada, temperatura końcowa jest niższa niż temperatura początkowa, T_końcowa − T_początkowa ma wartość ujemną, a wartość q jest ujemna.

Należy zauważyć, że zależność między ciepłem, ciepłem właściwym, masą i zmianą temperatury może być wykorzystana do określenia dowolnej z tych wielkości (nie tylko ciepła), jeśli pozostałe trzy są znane lub można je wywnioskować.

Ten tekst został zaadaptowany z OpenStax Chemistry 2e, Sekcja 5.1: Podstawy energii i OpenStax Chemistry 2e, Sekcja 5.3: Entalpia.