특정의 열 에너지의 양, 그것의 온도를 증가시키기 위해 물질 1 그램이 흡수 될 의해 하나 개 섭씨. 물질 1g에 대해서만 표현되므로 질량에 의존하지 않기 때문에 집중적 인 물리적 특성입니다. 그러나 그것은 입자의 수와 그 몰 질량, 그리고 그들을 묶는 분자간 힘과 관련이 있습니다.
물질이 흡수하는 에너지의 양은 줄 (J) 단위로 표시되며 덜 일반적으로 칼로리 (Cal)로 표시됩니다. 일반적으로 에너지는 열을 통해 흡수된다고 가정합니다. 그러나 에너지는 물질에 대한 작업 (예 : 엄격한 교반)과 같은 다른 소스에서 올 수 있습니다.
끓는 물. 출처 : Pixabay
위의 이미지는 가열에 의해 생성 된 수증기가 방출되는 주전자를 보여줍니다. 물을 데 우려면 주전자 아래에있는 화염에서 열을 흡수해야합니다. 따라서 시간이 지남에 따라 불의 강도에 따라 물이 끓는점에 도달하면 끓습니다.
비열은 온도가 상승하는 ºC 당 물이 소비하는 에너지 양을 설정합니다. 이 값은 처음에 말했듯이 집약적 인 속성이기 때문에 동일한 주전자에서 다른 양의 물을 가열하는 경우 일정합니다.
변화하는 것은 열용량이라고도하는 가열 된 물의 각 질량에 의해 흡수되는 에너지의 총량입니다. 가열 할 물의 질량 (2, 4, 10, 20 리터)이 클수록 열용량이 커집니다. 그러나 비열은 동일하게 유지됩니다.
이 속성은 압력, 온도 및 부피에 따라 다릅니다. 그러나 이해를 간단하게하기 위해 해당 변형은 생략했습니다.
비열이란?
주어진 물질에 대한 비열이 의미하는 바가 정의되었습니다. 그러나 그 진정한 의미는 공식으로 더 잘 표현되며, 이는 의존하는 변수를 분석 할 때 관련된 클리어런스 인 단위를 통해 명확하게합니다. 공식은 다음과 같습니다.
Ce = Q / ΔT m
여기서 Q는 흡수 된 열, ΔT는 온도 변화, m은 물질의 질량입니다. 정의에 따르면 그램에 해당합니다. 단위 분석 수행 :
Ce = J / ºC · g
다음과 같은 방식으로도 표현할 수 있습니다.
Ce = kJ / Kg
Ce = J / ºC · Kg
첫 번째는 가장 간단하며 다음 섹션에서 예제에 접근합니다.
공식은 1도 ºC에서 물질 1g에 의해 흡수 된 에너지의 양 (J)을 명시 적으로 나타냅니다. 이 양의 에너지를 제거하려면 방정식 J를 제쳐 두어야합니다.
J = Ce · ºC · g
보다 적절한 방식으로 변수에 따라 표현되는 것은 다음과 같습니다.
Q = Ce ΔT m
비열은 어떻게 계산됩니까?
참고로 물
위 공식에서 'm'은 이미 Ce에서 암묵적으로 발견되기 때문에 물질의 그램을 나타내지 않습니다.이 공식은 열량계를 통해 다양한 물질의 비열을 계산하는 데 매우 유용합니다.
어떻게? 14.5 ~ 15.5ºC에서 1g의 물을 데우는 데 필요한 에너지의 양인 칼로리 정의를 사용합니다. 이것은 4,184 J와 같습니다.
물의 비열이 비정상적으로 높고이 속성은 4.184 J의 값을 알고있는 다른 물질의 비열을 측정하는 데 사용됩니다.
비열이 높다는 것은 무엇을 의미합니까? 온도 상승에 상당한 저항을 제공하므로 더 많은 에너지를 흡수해야합니다. 즉, 물은 열원 근처에서 거의 즉시 가열되는 다른 물질에 비해 훨씬 더 오래 가열되어야합니다.
이러한 이유로 물은 화학 반응에서 방출되는 에너지를 흡수 할 때 급격한 온도 변화를 경험하지 않기 때문에 열량 측정에 사용됩니다. 또는이 경우 다른 뜨거운 물질과의 접촉으로부터.
열 평형
물은 온도를 높이기 위해 많은 열을 흡수해야하기 때문에 예를 들어 뜨거운 금속에서 열이 발생할 수 있습니다. 물과 금속의 질량을 고려하면 열 평형에 도달 할 때까지 열 교환이 발생합니다.
이것이 발생하면 물과 금속의 온도가 균등 해집니다. 뜨거운 금속에서 발산하는 열은 물에 흡수 된 열과 같습니다.
수학적 개발
이것을 알고 방금 설명한 Q에 대한 마지막 공식을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
Q 물 = -Q 금속
음수 기호는 따뜻한 본체 (금속)에서 차가운 본체 (물)로 열이 방출됨을 나타냅니다. 각 물질에는 고유의 비열 Ce와 질량이 있으므로이 표현은 다음과 같이 개발되어야합니다.
Q 물 = Ce 물 · ΔT 물 · m 물 =-(Ce 금속 · ΔT 금속 · m 금속 )
열 평형 상태에서 물과 금속의 최종 온도가 같기 때문에 알려지지 않은 것은 Ce Metal입니다 . 또한 접촉하기 전에 물과 금속의 초기 온도와 질량을 알 수 있습니다. 따라서 Ce Metal 을 지워야합니다 .
Ce 금속 = (Ce 물 · ΔT 물 · m 물 ) / (-ΔT 금속 · m 금속 )
Ce Water 가 4.184 J / ºC · g 임을 잊지 않고 . ΔT Water 와 ΔT Metal 이 개발 되면 각각 (T f -T Water )와 (T f -T Metal ) 을 갖게 됩니다. 물은 가열되고 금속은 냉각되므로 음의 부호가 ΔT Metal을 곱하여 (T Metal -T f )를 남깁니다 . 그렇지 않으면 ΔT Metal 은 T Metal 보다 T f가 작 으므로 (차가움) 음수 값을 갖습니다 .
그런 다음 방정식은 마지막으로 다음과 같이 표현됩니다.
Ce 금속 = Ce 물 · (T f -T 물 ) · m 물 / (T 금속 -T f ) · m 금속
그리고 그것으로 비열이 계산됩니다.
계산 예
무게가 130g이고 온도가 90ºC 인 이상한 금속 구가 있습니다. 열량계 내부의 25ºC 물 100g 용기에 담근다. 열 평형에 도달하면 용기의 온도는 40 ° C가됩니다. 금속의 Ce를 계산합니다.
최종 온도 T f 는 40 ° C입니다. 다른 데이터를 알면 Ce를 직접 결정할 수 있습니다.
Ce 금속 = (4,184 J / ºC · g · (40-25) ºC · 100g) / (90-40) ºC · 130g
Ce 금속 = 0.965 J / ºC · g
물의 비열은 금속 (4.184 / 0.965)의 약 4 배입니다.
Ce가 매우 작을수록 가열되는 경향이 커집니다. 열전도율 및 확산과 관련이 있습니다. Ce가 더 높은 금속은 Ce가 낮은 다른 금속에 비해 다른 재료와 접촉 할 때 더 많은 열을 방출하거나 손실하는 경향이 있습니다.
예
다른 물질에 대한 비열은 아래와 같습니다.
물
명시된 바와 같이 물의 비열은 4.184 J / ° C · g입니다.
이 값 덕분에 바다에서 많은 양의 태양을 얻을 수 있고 물은 거의 증발하지 않을 것입니다. 이로 인해 해양 생물에 영향을 미치지 않는 열 차이가 발생합니다. 예를 들어, 수영하러 해변에 갈 때 바깥이 매우 맑더라도 물은 더 낮고 시원한 온도를 느낍니다.
뜨거운 물은 자체적으로 식히기 위해 많은 에너지를 방출해야합니다. 이 과정에서 순환하는 기단을 가열하여 겨울 동안 해안 지역의 온도를 다소 높입니다.
또 다른 흥미로운 예는 우리가 물로 만들어지지 않았다면 체온이 급격히 상승하기 때문에 태양 아래서 하루가 치명적일 수 있다는 것입니다.
Ce의이 고유 한 값은 분자간 수소 결합 때문입니다. 이들은 열을 흡수하여 분해되므로 에너지를 저장합니다. 깨지기 전까지 물 분자는 진동 할 수 없어 평균 운동 에너지가 증가하며 이는 온도 상승에 반영됩니다.
빙
얼음의 비열은 2,090 J / ºC · g입니다. 물처럼 비정상적으로 높은 가치를 가지고 있습니다. 예를 들어 빙산은 온도를 높이기 위해 엄청난 양의 열을 흡수해야합니다. 그러나 오늘날 일부 빙산은 녹는 데 필요한 열 (융합 잠열)도 흡수했습니다.
알류미늄
알루미늄의 비열은 0.900 J / ºC · g입니다. 구의 금속보다 약간 낮습니다 (0.965 J / ºC · g). 여기서 열은 분자간 힘에 의해 결합 된 개별 분자가 아닌 결정 구조에서 알루미늄의 금속 원자를 진동시키기 위해 흡수됩니다.
철
철의 비열은 0.444 J / ºC · g입니다. 알루미늄보다 적기 때문에 가열 할 때 저항이 적다는 것을 의미합니다. 즉, 화재가 발생하기 전에 철 조각이 알루미늄 조각보다 훨씬 빨리 빨갛게 변합니다.
알루미늄은 가열에 더 강하고 유명한 알루미늄 호일을 사용하여 스낵을 포장 할 때 음식을 더 오래 유지합니다.
공기
공기의 비열은 약 1.003 J / ºC · g입니다. 이 값은 기체 혼합물로 구성되어 있기 때문에 압력과 온도의 영향을 많이받습니다. 여기에서 열이 흡수되어 질소, 산소, 이산화탄소, 아르곤 등의 분자를 진동시킵니다.
은
마지막으로 은의 비열은 0.234 J / ºC · g입니다. 언급 된 모든 물질 중 Ce 값이 가장 낮기 때문에 철과 알루미늄을 마주 할 때은 조각이 다른 두 금속보다 동시에 훨씬 더 많이 가열됩니다. 실제로 높은 열전도율과 조화를 이룹니다.
참고 문헌
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