Specifik värme – definition, enheter och exempel
Snabbguide till specifik värme – tydlig definition, vanliga enheter och praktiska exempel som visar hur olika ämnen absorberar energi.
Specifik värme (s) är en särskild typ av värmekapacitet. Specifik värme är en termodynamisk egenskap som anger den mängd värme som krävs för att en enda masseenhet av ett ämne ska höjas med en temperaturgrad. Det finns olika värden för specifik värme för ämnen beroende på i vilken utsträckning de absorberar värme. Termen värmekapacitet kan vara missvisande, eftersom värme q är den term som används för att tillföra eller avlägsna energi genom en barriär till ett ämne eller system, som ett resultat av att temperaturen höjs eller sjunker. Temperaturförändringar är i själva verket energiförändringar. Därför är specifik värme och andra former av värmekapacitet mer exakt mått på ett ämnes förmåga att absorbera energi när ämnets temperatur ökar.
Definition och beteckningar
Specifik värme (ofta betecknad c eller s) är ett intensivt mått, det vill säga det beror inte på mängden ämne utan på dess natur och tillstånd (fast, flytande, gas). Ett besläktat omfattande mått är värmekapacitet C, som anger hur mycket värme som krävs för att höja temperaturen för en hel kropp eller ett system med 1 K.
Formel och enheter
Den praktiska samband som ofta används är
q = m · c · ΔT
- q = tillförd eller bortförd värme (J)
- m = massa (kg)
- c = specifik värme (J·kg⁻¹·K⁻¹)
- ΔT = temperaturändring (K eller °C)
Standardenhet för specifik värme i SI-systemet är J/(kg·K). För vissa beräkningar används även molär värmekapacitet med enhet J/(mol·K).
Skillnad mellan specifik och molar värmekapacitet
Specifik värme anges per massenhet (J/(kg·K)), medan molar värmekapacitet anges per mol (J/(mol·K)). Valet mellan dem beror på problemets natur: kemiska reaktioner och gasers beteende diskuteras ofta med molära värden, medan ingenjörsmässiga värmeberäkningar använder specifika värden.
Vanliga exempel och ungefärliga värden
- Vatten (flytande, 20 °C): ≈ 4184 J/(kg·K)
- Is: ≈ 2000–2100 J/(kg·K)
- Ånga (vattendamp): ≈ 2000–2100 J/(kg·K), beroende på tryck och temperatur
- Aluminium: ≈ 900 J/(kg·K)
- Koppar: ≈ 385 J/(kg·K)
- Stål/järn: ≈ 450 J/(kg·K)
- Luft (stående värde vid 20 °C): ≈ 1005 J/(kg·K)
Dessa värden är ungefärliga och varierar med temperatur och tryck.
Beräkningsexempel
Exempel: Hur mycket energi krävs för att värma 2,0 kg vatten från 20 °C till 50 °C?
q = m·c·ΔT = 2,0 kg · 4184 J/(kg·K) · (50−20) K = 2,0 · 4184 · 30 = 251 040 J ≈ 251 kJ.
Faktorer som påverkar specifik värme
- Fas: fast, flytande och gas har olika specifika värmen.
- Temperatur: för många ämnen ändras c med temperaturen, särskilt nära fasövergångar.
- Tryck: påverkar främst gaser och sublima/flyktiga ämnen.
- Sammansättning: legeringar, blandningar och lösta ämnen har värden som beror på proportionerna.
Mätmetoder
Specifik värme bestäms experimentellt med kalorimetri, exempelvis med en enkel vattenkalorimeter eller med mer sofistikerade metoder som differential scanning calorimetry (DSC). Noggrannheten påverkas av värmeförluster, omrörning, termisk jämvikt och provets renhet.
Praktisk betydelse
Kännedom om specifik värme är avgörande inom många områden: värmeteknik (uppvärmning, kylning), klimat- och miljöstudier (havsvattnets stora värmekapacitet påverkar klimatet), materialval i konstruktioner och elektronikkylning, samt i kemiska processer där temperaturkontroll är viktig.
Sammanfattningsvis är specifik värme ett mått på hur mycket energi som krävs för att höja temperaturen hos en massenhet av ett ämne med en grad. Det är ett grundläggande begrepp i termodynamik och värmeöverföring och varierar med ämnets tillstånd, temperatur och sammansättning.
Enheter
Enheterna är mycket viktiga för att uttrycka termodynamiska egenskaper, vilket även gäller för specifik värme. Energi i form av värme uttrycks i joule (J) eller kilojoules (kJ), som är de vanligaste enheterna för energi. En enhet massa mäts i gram eller kilogram när det gäller specifik värme. Per ett gram är den standardform som används i tabeller över specifika värmevärden, men hänvisningar som använder ett kilogram förekommer ibland. En temperaturgrad mäts antingen på Celsius- eller Kelvinskalan, men vanligtvis Celsius. De vanligaste enheterna för specifik värme är J/(g-°C).
Faktorer som bestämmer den specifika värmen
Temperatur och tryck
Två faktorer som ändrar ett materials specifika värme är tryck och temperatur. Specifik värme definieras vid ett standardiserat, konstant tryck (vanligtvis atmosfäriskt tryck) för material och rapporteras i allmänhet vid 25 °C (298,15 K). En standardtemperatur används eftersom den specifika värmen är temperaturberoende och kan förändras vid olika temperaturvärden. Specifik värme kallas en intensiv egenskap (sv:Intensiva och extensiva egenskaper intensiv egenskap.) Så länge som temperaturen och trycket är vid de refererade standardvärdena och ingen fasförändring sker, förblir värdet för den specifika värmen för ett material konstant oavsett massan av det aktuella materialet .
Energetiska frihetsgrader
En stor faktor för storleken på den specifika värmen hos ett material ligger på molekylär nivå i de energimässiga sv:Frihetsgrader (fysik och kemi) frihetsgrader som är tillgängliga för materialet i den fas (fast, flytande eller gas) där det befinner sig. De energetiska frihetsgraderna är av fyra typer: translation, rotation, vibration och elektronik. Det krävs en minsta mängd energi för att nå varje frihetsgrad. Den energimängd som kan lagras i ett ämne beror därför på typen och antalet energetiska frihetsgrader som bidrar till ämnet vid en viss temperatur. Vätskor har generellt sett fler lågenergilägen och fler energetiska frihetsgrader än fasta ämnen och de flesta gaser. Detta bredare spektrum av möjligheter inom frihetsgraderna genererar vanligtvis större specifika värmer för flytande ämnen än för fasta ämnen eller gaser. Denna tendens kan ses i en:Heat capacity#Table of specific heat capacities Table of specific heat capacitiesoch genom att jämföra flytande vatten med fast vatten (is), koppar, tenn, syre och grafit.
Användning
Specifik värme används för att beräkna den mängd värme som absorberas när energi tillförs ett material eller ämne genom en temperaturökning inom ett definierat område. Beräkningen av den mängd värme eller energi som tillförs ett material är en relativt enkel process så länge materialets begynnelse- och sluttemperatur registreras, materialets massa rapporteras och den specifika värmen är känd. Den specifika värmen, materialets massa och temperaturskalan måste alla vara i samma enheter för att beräkningen av värme ska kunna utföras korrekt.
Ekvationen för att beräkna värme (q) är följande:
Q = s × m × ΔT
I ekvationen är s den specifika värmen i (J/g-°C). m är ämnets massa i gram. ΔT är den temperaturförändring (°C) som observeras i ämnet. Konventionen är att subtrahera materialets initialtemperatur från sluttemperaturen efter uppvärmning så ΔT är TFinal -TInitial i ekvationen. Genom att sätta in alla värden i ekvationen och multiplicera med dem upphävs enheterna för massa och temperatur, vilket ger lämpliga enheter för värme i form av joule. Beräkningar som denna är användbara i en:Calorimetry calorimetry calorimetry
Sök