Ominaislämpö (s, usein merkitään myös c) on erityyppinen lämpökapasiteetti. Ominaislämpö on termodynaaminen ominaisuus, joka ilmoittaa, kuinka paljon lämpöä tarvitaan, jotta aineen massayksikkö kohoaa yhden asteen verran lämpötilassa. Aineiden ominaislämpöarvot vaihtelevat sen mukaan, missä määrin ne absorboivat lämpöä. Termi lämpökapasiteetti voi olla harhaanjohtava, sillä lämpö q on termi, joka annetaan aineen tai järjestelmän esteen läpi tapahtuvalle energian lisäykselle tai poistolle lämpötilan nousun tai laskun seurauksena. Lämpötilan muutokset ovat todellisuudessa energian muutoksia. Siksi ominaislämpö ja muut lämpökapasiteetin muodot ovat tarkempia mittareita aineen kyvylle absorboida energiaa aineen lämpötilan noustessa.

Määritelmä ja kaava

Matemaattisesti ominaislämpö s määritellään suhteena lisättyyn lämpöenergiaan ja aiheutuneeseen lämpötilan muutokseen per massayksikkö:

s = q / (m · ΔT)

missä q on siirretty lämpöenergia, m on massa ja ΔT on lämpötilan muutos. Jos tunnet massan ja ominaislämmön, siirretty lämpöenergia lasketaan käänteisesti kaavalla q = m · s · ΔT.

Yksiköt ja tyypillisiä arvoja

SI-yksikkö ominaislämmölle on joule per kilogramma-kelvin (J·kg⁻¹·K⁻¹). Vaihtoehtoisesti käytetään usein J/(kg·°C), sillä kelvin- ja celsius-asteikon erojen vuoksi asteiden erot ovat numeerisesti samoja.

Esimerkkejä likimääräisistä ominaislämmöistä (järjestyslukuja, riippuvat lämpötilasta):

  • Vesi (neste) ≈ 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹
  • Jää ≈ 2000–2100 J·kg⁻¹·K⁻¹
  • Alumiini ≈ 900 J·kg⁻¹·K⁻¹
  • Rauta ≈ 450 J·kg⁻¹·K⁻¹
  • Lyijy ≈ 128 J·kg⁻¹·K⁻¹

Molekyylikohtainen lähestymistapa käyttää molaarista lämpökapasiteettia, jonka yksikkö on joule per mooli-kelvin (J·mol⁻¹·K⁻¹). Useilla kiinteillä aineilla molaarinen lämpökapasiteetti on lähellä Dulong–Petit'n arvoa ≈ 3R ≈ 25 J·mol⁻¹·K⁻¹ huoneenlämpötilassa.

Erot: cp, cv ja riippuvuus olosuhteista

Ominaislämpö voi riippua olosuhteista:

  • cp — ominaislämpö vakio paineessa (usein käytetty nesteille ja kaasuilla prosesseissa, joissa paine pysyy vakiona).
  • cv — ominaislämpö vakio tilavuudessa (tärkeä termodynaamisissa tarkasteluissa kaasuilla).

Kaasuilla cp on yleensä suurempi kuin cv, koska vakio paineessa tehdään myös työtä laajenemista vastaan. Ominaislämpö voi vaihdella lämpötilan ja paineen mukaan; esimerkiksi metallien ominaislämpö yleensä nousee jonkin verran lämpötilan kasvaessa, ja lähellä faasinsiirtymiä (sulamispiste, kiehumispiste) käyttäytyminen muuttuu radikaalisti.

Mittaaminen ja käytännön huomioita

Ominaislämpö mitataan yleensä kalorimetrialla: aineen lämpötilaa mitataan ennen ja jälkeen tunnetun lämmönlisäyksen tai sekoittamalla tunnetun massan ja lämpötilan omaavia aineita ja seuraamalla lämpötilan tasapainoa. Faasimuutoksissa (esim. sulaminen, höyrystyminen) lämpöä varastoituu ilman lämpötilamuutosta — tällöin puhutaan latenttilämmöstä, eikä ominaislämpö yksinkertaisesti kuvaa tilannetta.

Lyhyt esimerkki

Kuinka paljon lämpöä tarvitaan lämmittääksemme 2,0 kg vettä 20 °C:sta 80 °C:seen? Käytetään s ≈ 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹:

q = m · s · ΔT = 2,0 kg · 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹ · (80 − 20) K = 2 · 4184 · 60 ≈ 5,02·10⁵ J.

Yhteenveto

Ominaislämpö kuvaa aineen kykyä varastoida lämpöenergiaa massayksikköä kohden lämpötilan muuttuessa. Se on keskeinen suure lämmönsiirrossa, lämmityslaskelmissa ja termodynamiikassa. Ominaislämpöä tulkittaessa on hyvä huomioida, käytetäänkö vakion paineen vai tilavuuden arvoa, ja että arvo voi riippua lämpötilasta ja faasista.