Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

6.4: Количественная оценка тепла
СОДЕРЖАНИЕ

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Quantifying Heat
 
ТРАНСКРИПТ

6.4: Количественная оценка тепла

Тепловая энергия  

В микроскопическом режиме тепловая энергия — это кинетическая энергия, связанная с случайным движением атомов и молекул. Температура является количественной мерой “горячей” или “холодной”, которая зависит от количества тепловой энергии. Когда атомы и молекулы в объекте движутся или вибрируют быстро, они обладают более высокой средней кинетической энергией (KE) (или более высокой тепловой энергией), и объект воспринимается как “горячий”, или он описывается как находящийся при более высокой температуре. Когда атомы и молекулы движутся медленно, они имеют более низкую среднюю энергию KE (или более низкую тепловую), и объект воспринимается как “холодный”, или он описывается как находящийся при более низкой температуре.  

Если предположить, что химическая реакция или изменение фазы (например, таяние или испарение) не произойдет, увеличение тепловой энергии в образце вещества приведет к повышению температуры, а уменьшение тепловой энергии в образце вещества приведет к снижению температуры.

Тепло

Тепло (q) — это передача тепловой энергии между двумя телами при различных температурах. Теплопоток увеличивает тепловую энергию одного тела и уменьшает тепловую энергию другого. Тепло спонтанно течет из горячего в холодный (т.е. только в одном направлении) и продолжается до тех пор, пока два вещества не нагреются до одинаковой температуры. Изменения температуры измеряются путем изменения температуры.  

Единица измерения температуры, работы и энергии СИ — джоуль. Джоуль (J) определяется как количество энергии, используемое при перемещении объекта силой 1 ньютон на 1 метр. Назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля. Один джоуль эквивалентен 1 кг м2/с2, что также называется 1 ньютон-метр. Одна киложуле (кДж) — 1000 джоулей. Для стандартизации определения одной калории установлено, что она равна 4.184 джоулей.

Передача тепловой энергии

Теплоемкость (C) тела вещества - это количество тепла (q), которое он поглощает или высвобождает при изменении температуры (ΔT) на 1 градусов C (или эквивалентно 1 кельвинов):

Теплоемкость определяется как типом, так и количеством вещества, поглощающего или выделющего тепло. Поэтому теплоемкость является обширным свойством — ее стоимость пропорциональна количеству вещества. Например, учитывайте теплоемкость двух чугунных сковород. Теплоемкость большой сковомоль в пять раз превышает тепловую емкость небольшой сковомоль, поскольку, хотя и обе пэны изготовлены из одного материала, масса большой сковомоль в пять раз превышает массу небольшой сковомоль. Чем больше масса, тем больше атомов присутствует в большом панорамировании, поэтому требуется больше энергии, чтобы все атомы стали вибрировать быстрее. Теплоемкость маленькой чугунной сковородки определяется тем, что для повышения температуры сковомоль на 50.0 °C (ΔT) требуется 18,140 Дж энергии (q):

Большая чугунная сковородка, изготовленная из того же вещества, требует 90,700 Дж энергии (q) для повышения температуры на 50.0 °C (ΔT). Более крупный противень обладает (пропорционально) большей теплоемкостью, поскольку для получения такого же изменения температуры требуется (пропорционально) больший объем энергии:

Удовая теплоемкость (c) вещества, которое обычно называется «удовым теплом», представляет собой количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамм вещества на 1 градусов Цельсия (или 1 кельвина):  

Удовая теплоемкость зависит только от типа вещества, поглощающего или выделящего тепло. Это интенсивное свойство, поэтому оно не зависит от количества вещества. Например, небольшая чугунная сковородка имеет массу 808 г. Удовое тепло железа (материал, используемый для изготовления посуды) составляет, таким образом:

Большая сковорода имеет массу 4040 г. Используя данные для этого поддона, мы также можем рассчитать удовую температуру утюга:  

Eq1

Несмотря на то, что большая сковороду более массивна, чем маленькая, так как обе сделаны из одного материала, они оба дают одинаковое значение для конкретного тепла (для материала конструкции, железа). Обратите внимание, что удовое тепло измеряется в единицах энергии на температуру на массу и является интенсивным свойством, производным от соотношения двух обширных свойств (тепло и масса). Теплоемкость молярного вещества, также является интенсивным свойством, это теплоемкость на единицу моль конкретного вещества и имеет единицы J/mol⋅°C.

Вода имеет относительно высокую удельную температуру (около 4.2 Дж/г⋅°C для жидкости и 2.09 Дж/г⋅°C для твердого тела); большинство металлов имеют гораздо более низкие удельные нагреватели (обычно менее 1 Дж/г⋅°C). Зная массу (м) вещества и его удовую температуру (с), можно определить количество тепла, q, введение или выход из вещества путем измерения изменения температуры (ΔT) до и после получения или потери тепла:  

Eq7

Eq8

Если вещество получает тепловую энергию, температура повышается, конечная температура превышает начальную температуру, TFinal - Tinitial имеет положительное значение, а значение q положительное. Если вещество теряет тепловую энергию, температура снижается, конечная температура ниже начальной, TFinal - Tinial имеет отрицательное значение, а значение q - отрицательное.

Обратите внимание, что зависимость между теплом, удельной теплоёмкостью, массой и изменением температуры может быть использована для определения любого из этих величин (не только тепла), если остальные три известны или могут быть выведены.

Этот текст был адаптирован из OpenStax Химия 2е изд., раздел 5.1: Основы энергетики и OpenStax Химия 2е изд., раздел 5.3: Энтальпия.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter