Jak obliczyć ciepło właściwe? Wzór i przykłady obliczeń
Ciepło właściwe oblicza się ze wzoru c = Q/(m · ΔT). Trzeba podzielić dostarczone ciepło Q przez iloczyn masy substancji m i przyrostu temperatury ΔT. Wynik podaje się w J/(kg·K), co jest równoważne jednostce J/(kg·°C). Wzór zakłada, że podczas ogrzewania nie zachodzi przemiana fazowa, na przykład topnienie lub parowanie.
Czym jest ciepło właściwe i jaki ma wzór?
Ciepło właściwe określa ilość energii potrzebną do ogrzania 1 kg substancji o 1 K, czyli o 1°C. Jego wartość zależy od rodzaju substancji, a także między innymi od temperatury i stanu skupienia.
Podstawowa zależność opisująca ogrzewanie ma postać:
Q = m · c · ΔT
Po przekształceniu otrzymujemy wzór na ciepło właściwe:
c = Q/(m · ΔT) = Q/[m · (Tk − Tp)]
Symbole we wzorze oznaczają:
- Q – dostarczone ciepło w dżulach (J),
- m – masa substancji w kilogramach (kg),
- ΔT – przyrost temperatury w kelwinach (K) lub stopniach Celsjusza (°C),
- Tk i Tp – odpowiednio temperatura końcowa i początkowa.
Różnica temperatur ma taką samą wartość liczbową w kelwinach i stopniach Celsjusza. Zmiana temperatury o 40°C odpowiada więc zmianie o 40 K. Jednostka J/(kg·K) jest równoważna J/(kg·°C).
Jak obliczyć ciepło właściwe krok po kroku?
Rozważmy metalowy blok o masie 0,5 kg. Pobrana przez niego energia wynosi 18 kJ, a temperatura rośnie z 20°C do 60°C.
Obliczenia wykonujemy w następującej kolejności:
- Wypisz dane: Q = 18 kJ, m = 0,5 kg, Tp = 20°C, Tk = 60°C.
- Przelicz energię na dżule: 18 kJ = 18 000 J.
- Oblicz przyrost temperatury: ΔT = Tk − Tp = 60°C − 20°C = 40°C.
- Podstaw wartości do wzoru: c = 18 000 J/(0,5 kg · 40 K).
- Oblicz wynik i zapisz jednostkę: c = 900 J/(kg·K).
Otrzymana wartość jest zbliżona do ciepła właściwego aluminium, które wynosi około 900 J/(kg·K). Przy rozwiązywaniu zadań najczęstsze błędy to pozostawienie energii w kilodżulach zamiast zamiany jej na dżule oraz obliczenie różnicy temperatur w niewłaściwej kolejności.
Wartości ciepła właściwego popularnych substancji
Poniższe wartości mają charakter tablicowy i są przybliżone. Rzeczywista wartość może zależeć od temperatury, ciśnienia oraz stanu skupienia substancji.
| Substancja | Ciepło właściwe [J/(kg·K)] | Stan skupienia |
|---|---|---|
| Woda | 4190 | ciecz |
| Aluminium | 900 | ciało stałe |
| Miedź | 385 | ciało stałe |
| Żelazo | 450 | ciało stałe |
| Lód | 2100 | ciało stałe |
| Powietrze | 1005 | gaz |
Im większe ciepło właściwe, tym więcej energii trzeba dostarczyć, aby ogrzać taką samą masę o tę samą liczbę stopni. Dlatego podgrzanie wody wymaga znacznie więcej energii niż podgrzanie metalowego przedmiotu o tej samej masie.