אנטלפיה

יש הבחנה ברורה בין אנרגיה פנימית, טמפרטורה וחום. האנרגיה הפנימית של חומר מתייחסת לאנרגיה הכוללת של כל המולקולות בחומר. הטמפרטורה שלו היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של כל המולקולות הבודדות. שקול שתי חתיכות של מתכת חמה בשיווי משקל תרמי נח אחד ליד השני, אחד מחצית הגודל של השני. לשניהם יש את אותה טמפרטורה, אבל לחתיכת המתכת הקטנה יותר יש חצי מהאנרגיה התרמית מהשנייה. לבסוף, חום, כפי שנדון לעיל, הוא העברת אנרגיה מחפצים שונים.

אם החום זורם לתוך עצם, הטמפרטורה של האובייקט עולה. עם זאת, כמות עליית הטמפרטורה תלויה בסוג החומר שהחום זורם לתוכו. כמות החום, Q, הנדרשת כדי לשנות את הטמפרטורה של כל חומר נתון היא פרופורציונלית למסה m של החומר הנוכחי ולשינוי הטמפרטורה ΔT. מערכת יחסים פשוטה זו באה לידי ביטוי כ:

Q = mc ΔT, (משוואה 1)

כאשר c היא איכות אופיינית של החומר הנקרא חום ספציפי שלה (או לפעמים נקרא קיבולת חום ספציפית). סידור מחדש של משוואה 1 נותן:

c = Q / (m ΔT). (משוואה 2)

לפיכך, יחידות החום הספציפיות הוא J. החום הספציפי יכול להיות מתואר כמות החום הנדרש כדי להעלות 1 גרם של חומר על ידי 1 °C (70 °F). בלחץ אטמוספרי סטנדרטי, החום הספציפי של מים ידוע להיות 4.18 J / (g °C). במילים אחרות, אם 4.18 J של אנרגיה מסופק 1 גרם של מים, הטמפרטורה שלה תעלה על ידי 1 °C (50 °F). עם זאת, בהנחה היא כי מדגם המים מבודד מספיק מסביבתו. אם לא, חלק מהאנרגיה המועברת למים עלולה ללכת לאיבוד לסביבה המקיפה את המים - האוויר שמסביב, למשל. סוג זה של אובדן אנרגיה, או העברה, מכונה המערכת "עושה עבודה". לאחר מכן ניתן לכתוב את החוק הראשון של התרמודינמיקה כ:

ΔU = Q - W, (משוואה 3)

כאשר U הוא האנרגיה הפנימית הכוללת של מערכת, Q הוא החום שנוסף למערכת, ו- W הוא העבודה שנעשתה על ידי המערכת.

מעבדה זו תכלול קלורימטר קפה, שהוא בעצם קלקר. קלקר מבודד מספיק את החומר הפנימי מסביבת הכוס, כך שהמערכת לא תעשה עבודה ו- W = 0.

1. למדוד את יכולת החום הספציפית של עופרת ולהדגים את החוק הראשון של התרמודינמיקה.

1. להשיג קנה מידה, מדגם עופרת, שתי כוסות קלקר, 300 מל (או גדולה יותר), גוף חימום, מדחום, חתיכת חוט, מים בטמפרטורת החדר, מוט המחובר לעמוד עם מלחציים, גליל מדורג ומספריים.
2. חותכים חלק קטן מהחלק העליון של אחת מכוסות הקלקר, כך שהוא יכול לשמש כמכסה לכוס השנייה. הפוך חור קטן בתחתית, גדול מספיק עבור המדחום כדי להתאים דרך, אבל לא גדול יותר מאשר היקף המדחום.
3. מודדים 220 מל של מים באמצעות הגליל המדורג ויוצקים אותו לתוך הקלקר שלא שופץ. לחלופין, ניתן לשקול 220 גרם מים.
4. מניחים את הקלקר המותאמת על גבי המים, כך שהיא פועלת כמכסה; ודא שזה מתאים בצורה נוחה. אם לא, לבצע את השינויים המתאימים.
5. למדוד את טמפרטורת המים ולרשום אותו בטבלה 1. המים צריכים להיות בטמפרטורת החדר.
6. מלא את הכיס עם מספיק מים, כך מדגם עופרת יכול להיות שקוע לחלוטין. מניחים את הדגימה במשכה עם המים ומוודאים שיש מספיק מים. מחממים את המים לרתיחה באמצעות גוף החימום.
7. חבר את המחרוזת לדגימת העופרת כך שניתן יהיה להשעות אותה למים הרותחים. מקם את המדגם במים, כאשר המחרוזת נגישה להעברת המדגם מאוחר יותר.
8. המתן לפחות 5 דקות עד שהדגימה תגיע לשיווי משקל תרמי עם המים הרותחים. כאשר דגימת העופרת מוסרת מהמים הרותחים, היא תרד בטמפרטורה במהירות רבה. למדוד את הטמפרטורה של המדגם מחוץ למים הרותחים. המשך למקם את המדגם לתוך קלורימטר קפה מיד לאחר שים את הטמפרטורה שלה. זה יכול להיות הרבה מתחת 100 °C (50 °F). רשם טמפרטורה זו בטבלה 1.
9. מערבבים את מערכת הקפה / העופרת כדי להבטיח תערובת אחידה. צפה בטמפרטורה על המדחום כפי שהוא משתנה. ברגע שהוא מפסיק להשתנות, רשם את הטמפרטורה בטבלה 1.
10. באמצעות שינויי הטמפרטורה של המים ושל מדגם העופרת, ובהתחשב בחום המים הספציפי, חשב את ראש העופרת הספציפי באמצעות משוואה 1.

באמצעות הערכים שנרשמו בטבלה 1, ניתן לחשב את חום ההפניה הספציפי. מהחוק הראשון של התרמודינמיקה, ידוע כי אנרגיה אינה נוצרת או נהרסת במערכת מבודדת, אך אנרגיה יכולה לעבור בין עצמים שונים בתוך המערכת. כאשר חתיכת עופרת חמה מוכנסת לכוס הקפה calorimeter, החום יסופק מן העופרת למים, וכי העברת חום נשמרת; כלומר, תפוקת החום של העופרת, Q_out, שווה את קלט החום של המים, Q_ב

Q_out = Q_ב. (משוואה 4)

כמו במשוואה 3, האנרגיה הכוללת U היא קבועה. באמצעות משוואה 1, ניתן לכתוב את משוואה 4 באופן שווה כ:

עופרת c _עופרת ΔT =_מים c_מים ΔT_מים. (משוואה 5)

עם חום המים הספציפי הידוע כ- 4.18 J /(g°C) והמידע מטבלה 1, ניתן לפתור את_ההפניהcעבור:

c_עופרת = (מים c_מים ΔT_מים) / (m_עופרת Δt_עופרת) (משוואה 6)

= (220 גר' · 4.18 J/(g C^o) · 1.2 °C) / (43.4^מעלות צלזיוס · 201 גרם)

= 0.127 J / (g °C).

הערך המקובל עבור החום הספציפי של עופרת הוא 0.128, כך שהתוצאות כאן הן בהסכמה מצוינת, עם הבדל של 1.5% בלבד.

טבלה 1. תוצאות ניסוי.

החוק הראשון של התרמודינמיקה חל על היקום כולו - לא ניתן ליצור או להשמיד אנרגיה ברחבי היקום, אך כל מיני העברות אנרגיה ושינויים אכן מתרחשים. צמחים ממירים אנרגיה מאור השמש לאנרגיה הכימית המאוחסנת במולקולות אורגניות, שרבות מהן אנו אוכלים לאחר מכן. תחנות כוח גרעיניות המייצרות חלק גדול מהחשמל שלנו משתמשות בהעברת חום ממוטות רדיואקטיביים חמים כדי לייצר קיטור, מה שמפעיל טורבינות המייצרות חשמל. מקררים פועלים באמצעות חשמל כדי למשוך חום מהמערכת. מאייד מלא נוזל קירור ומחזק לבצע עבודה על המקרר כדי לבצע העברת חום שלילית.

העברת חום נצפתה במערכת סגורה בין חתיכת עופרת חמה למים בטמפרטורת החדר. קיבולת החום הספציפית נמדדה על ידי מדידת שינויי טמפרטורה בכמויות ידועות של מים ו עופרת. אם מערכת כוסות הקלקר לא הייתה מבודדת מספיק מסביבתה, החום מהמערכת היה הולך לאיבוד במילים אחרות, המים החמים / עופרת היו עושים עבודה על הסביבה, כמו במשוואה 3. אם זה היה המקרה, החישובים שבוצעו במעבדה זו היה הרבה יותר קשה לעשות, שכן האוויר שמסביב בקלות מפורק חום לסביבתו. מכיוון שכוסות קלקר משמשות כמבודדות טובות, המערכת נחשבה לעצמאות מהאוויר שמסביב. החוק הראשון של התרמודינמיקה נצפה, שכן לא נוצרה או הושמדה אנרגיה במהלך הניסוי; האנרגיה של המערכת הסגורה נשמרה.