Ominaislämpö (lämpökapasiteetti): määritelmä ja yksiköt
Ominaislämpö (lämpökapasiteetti): selkeä määritelmä, yksiköt ja esimerkit. Opi, miten aineen lämpökapasiteetti vaikuttaa energian absorptioon ja lämpötilan muutoksiin.
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.
Yksiköt
Yksiköt ovat erittäin tärkeitä termodynaamisten ominaisuuksien ilmaisemisessa; sama pätee myös ominaislämpöön. Lämmön muodossa oleva energia ilmaistaan jouleina (J) tai kilojouleina (kJ), jotka ovat yleisimmät energiaan liittyvät yksiköt. Yksi massayksikkö mitataan grammoina tai kilogrammoina ominaislämmön osalta. Yksi gramma on vakiomuoto, jota käytetään ominaislämpöarvoja koskevissa taulukoissa, mutta toisinaan tavataan myös viittauksia, joissa käytetään yhtä kilogrammaa. Yksi lämpötila-aste mitataan joko Celsius- tai Kelvin-asteikolla, mutta yleensä Celsius-asteikolla. Yleisimmin käytetty yksikkö ominaislämmölle on J/(g-°C).
Ominaislämpöä määrittävät tekijät
Lämpötila ja paine
Kaksi tekijää, jotka muuttavat materiaalin ominaislämpöä, ovat paine ja lämpötila. Ominaislämpö määritellään materiaalien vakiopaineessa (yleensä ilmanpaineessa), ja se ilmoitetaan yleensä 25 °C:ssa (298,15 K). Standardilämpötilaa käytetään, koska ominaislämpö on riippuvainen lämpötilasta ja voi muuttua eri lämpötila-arvoissa. Ominaislämpöä kutsutaan intensiiviseksi ominaisuudeksi (fi:Intensiiviset ja ekstensiiviset ominaisuudet intensiivinen ominaisuus.) Niin kauan kuin lämpötila ja paine ovat standardissa viitatuissa arvoissa eikä faasimuutosta tapahdu, minkä tahansa materiaalin ominaislämmön arvo pysyy vakiona riippumatta läsnä olevan materiaalin massasta .
Energiset vapausasteet
Materiaalin ominaislämmön suuruuteen vaikuttaa suuresti molekyylitasolla se, kuinka paljon energiaa en:Degrees of freedom (physics and chemistry) vapausasteita materiaalilla on käytettävissään siinä vaiheessa (kiinteä, nestemäinen tai kaasu), jossa se on. Energisiä vapausasteita on neljää tyyppiä: translaatio, rotaatio, värähtely ja elektroninen. Kunkin vapausasteen saavuttamiseen tarvitaan vähimmäismäärä energiaa. Näin ollen aineeseen varastoituvan energian määrä riippuu siitä, minkä tyyppisiä ja kuinka monta energeettistä vapausastetta aineeseen vaikuttaa tietyssä lämpötilassa. Nesteissä on yleensä enemmän matalan energian tiloja ja enemmän energeettisiä vapausasteita kuin kiinteissä aineissa ja useimmissa kaasuissa. Tämä laajempi vapausasteiden mahdollisuuksien kirjo johtaa yleensä siihen, että nestemäisten aineiden ominaislämpötilat ovat suuremmat kuin kiinteiden aineiden tai kaasujen. Tämä suuntaus voidaan nähdä fi:Heat capacity#Table of specific heat capacities Table of specific heat capacitiesja vertaamalla nestemäistä vettä kiinteään veteen (jäähän), kupariin, tinaan, happiin ja grafiittiin.
Käyttö
Ominaislämpöä käytetään laskettaessa lämpömäärää, joka absorboituu, kun materiaaliin tai aineeseen lisätään energiaa lämpötilan nousun kautta tietyllä alueella. Materiaaliin lisätyn lämmön tai energian määrän laskeminen on suhteellisen helppoa, kunhan materiaalin alku- ja loppulämpötilat kirjataan, materiaalin massa ilmoitetaan ja ominaislämpö tunnetaan. Ominaislämmön, materiaalin massan ja lämpötila-asteikon on oltava samoissa yksiköissä, jotta lämpölaskenta voidaan suorittaa tarkasti.
Yhtälö lämmön (q) laskemiseksi on seuraava:
Q = s × m × ΔT
Yhtälössä s on ominaislämpö (J/g-°C). m on aineen massa grammoina. ΔT tarkoittaa aineessa havaittua lämpötilan muutosta (°C). Tavallisesti aineen alkulämpötila vähennetään kuumentamisen jälkeisestä loppulämpötilasta, joten ΔT on yhtälössä TFinal -TAlkulämpötila. Kun kaikki arvot korvataan yhtälöön ja kerrotaan yhtälön läpi, massan ja lämpötilan yksiköt kumoutuvat, jolloin lämmön yksiköksi jäävät asianmukaiset Joule-yksiköt. Tämänkaltaiset laskelmat ovat hyödyllisiä fi:Calorimetry calorimetryssä
Etsiä