6.2: مبانی انرژی
- Page ID
- 215921
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:
- تعریف انرژی، تشخیص انواع انرژی و توصیف ماهیت تغییرات انرژی که با تغییرات شیمیایی و فیزیکی همراه است
- خواص مربوط به گرما، انرژی حرارتی و دما را تشخیص دهید
- تعریف و تشخیص حرارت ویژه و ظرفیت حرارتی، و توصیف پیامدهای فیزیکی هر دو
- محاسبات مربوط به گرما، گرمای ویژه و تغییر دما را انجام دهید
تغییرات شیمیایی و تغییرات همراه با آنها در انرژی بخش مهمی از دنیای روزمره ما هستند (شکل\(\PageIndex{1}\)). مواد مغذی موجود در غذا (پروتئین ها، چربی ها و کربوهیدرات ها) تحت واکنش های متابولیکی قرار می گیرند که انرژی لازم برای حفظ عملکرد بدن ما را فراهم می کنند. ما انواع سوخت (بنزین، گاز طبیعی، زغال سنگ) را برای تولید انرژی برای حمل و نقل، گرمایش و تولید برق می سوزانیم. واکنش های شیمیایی صنعتی از مقادیر زیادی انرژی برای تولید مواد خام (مانند آهن و آلومینیوم) استفاده می کنند. سپس انرژی برای تولید این مواد خام به محصولات مفید مانند اتومبیل، آسمان خراش ها و پل ها استفاده می شود.
بیش از 90 درصد از انرژی که ما استفاده می کنیم در اصل از خورشید می آید. هر روز، خورشید تقریباً 10,000 برابر مقدار انرژی لازم برای تأمین تمام نیازهای انرژی جهان در آن روز را تأمین می کند. چالش ما یافتن راه هایی برای تبدیل و ذخیره انرژی خورشیدی ورودی است تا بتوان از آن در واکنش ها یا فرآیندهای شیمیایی استفاده کرد که هم راحت و هم غیر آلاینده هستند. گیاهان و بسیاری از باکتری ها انرژی خورشیدی را از طریق فتوسنتز جذب می کنند. ما انرژی ذخیره شده در گیاهان را هنگام سوزاندن چوب یا محصولات گیاهی مانند اتانول آزاد می کنیم. ما همچنین از این انرژی برای تأمین سوخت بدن خود با خوردن غذاهایی که مستقیماً از گیاهان یا حیواناتی که انرژی خود را با خوردن گیاهان دریافت می کنند، استفاده می کنیم. سوزاندن زغال سنگ و نفت همچنین انرژی خورشیدی ذخیره شده را آزاد می کند: این سوخت ها مواد گیاهی و حیوانی فسیلی هستند.
این فصل ایده های اساسی یک منطقه مهم از علم مربوط به میزان گرمای جذب شده یا آزاد شده در طول تغییرات شیمیایی و فیزیکی را معرفی می کند - منطقه ای به نام ترموشیمی. مفاهیم معرفی شده در این فصل به طور گسترده ای در تقریبا تمام زمینه های علمی و فنی استفاده می شود. دانشمندان مواد غذایی از آنها برای تعیین محتوای انرژی غذاها استفاده می کنند. زیست شناسان انرژی موجودات زنده را مطالعه می کنند، مانند احتراق متابولیک قند به دی اکسید کربن و آب. صنایع نفت، گاز و حمل و نقل، تامین کنندگان انرژی های تجدید پذیر و بسیاری دیگر تلاش می کنند تا روش های بهتری برای تولید انرژی برای نیازهای تجاری و شخصی ما پیدا کنند. مهندسان تلاش می کنند تا بهره وری انرژی را بهبود بخشند، راه های بهتری برای گرم کردن و خنک کردن خانه های ما پیدا کنند، مواد غذایی و نوشیدنی های ما را در یخچال قرار دهند و نیازهای انرژی و خنک کننده رایانه ها و الکترونیک را از جمله برنامه های کاربردی دیگر برآورده کنند. درک اصول ترموشیمی برای شیمیدانان، فیزیکدانان، زیست شناسان، زمین شناسان، هر نوع مهندس و تقریباً در مورد هرکسی که مطالعه می کند یا هر نوع علمی را انجام می دهد ضروری است.
رده: انرژی
انرژی را می توان به عنوان ظرفیت تأمین گرما یا انجام کار تعریف کرد. یک نوع کار (w) فرآیند حرکت ماده در برابر نیروی مخالف است. به عنوان مثال، ما وقتی یک تایر دوچرخه را باد می کنیم کار می کنیم - ماده (هوا در پمپ) را در برابر نیروی مخالف هوا در حال حاضر در تایر حرکت می دهیم.
مانند ماده، انرژی در انواع مختلفی به وجود می آید. یک طرح انرژی را به دو نوع طبقه بندی می کند: انرژی پتانسیل، انرژی یک جسم به دلیل موقعیت نسبی، ترکیب یا شرایط آن و انرژی جنبشی، انرژی که یک جسم به دلیل حرکت خود دارد. آب در بالای یک آبشار یا سد به دلیل موقعیت خود دارای انرژی پتانسیل است؛ زمانی که از طریق ژنراتورها به سمت پایین جریان مییابد، دارای انرژی جنبشی است که میتواند برای انجام کار و تولید برق در یک نیروگاه برق آبی مورد استفاده قرار گیرد (شکل\(\PageIndex{2}\)). یک باتری دارای انرژی بالقوه است زیرا مواد شیمیایی موجود در آن می توانند الکتریسیته تولید کنند که می تواند کار کند.
انرژی را می توان از یک شکل به شکل دیگر تبدیل کرد، اما تمام انرژی موجود قبل از وقوع تغییر همیشه به شکلی پس از تکمیل تغییر وجود دارد. این مشاهده در قانون پایستگی انرژی بیان میشود: در طی یک تغییر شیمیایی یا فیزیکی، انرژی نه میتواند ایجاد شود و نه از بین برود، گرچه میتواند به شکل تغییر کند. (این نیز یک نسخه از قانون اول ترمودینامیک است، همانطور که بعدا یاد خواهید گرفت.)
هنگامی که یک ماده به ماده دیگر تبدیل می شود، همیشه یک تبدیل مرتبط از یک شکل انرژی به دیگری وجود دارد. گرما معمولاً آزاد یا جذب می شود، اما گاهی اوقات این تبدیل شامل نور، انرژی الکتریکی یا شکل دیگری از انرژی است. به عنوان مثال، انرژی شیمیایی (نوعی انرژی پتانسیل) در مولکول هایی که بنزین را تشکیل می دهند ذخیره می شود. هنگامی که بنزین در داخل سیلندرهای موتور خودرو احتراق می شود، محصولات گازی که به سرعت در حال گسترش هستند این واکنش شیمیایی هنگام حرکت پیستون های سیلندر، انرژی مکانیکی (نوعی انرژی جنبشی) تولید می کنند.
طبق قانون بقای ماده (که در فصل قبل دیده می شود)، هیچ تغییر قابل تشخیصی در مقدار کل ماده در طی یک تغییر شیمیایی وجود ندارد. هنگامی که واکنش های شیمیایی رخ می دهد، تغییرات انرژی نسبتا کم است و تغییرات جرم برای اندازه گیری بسیار کوچک است، بنابراین قوانین بقای ماده و انرژی به خوبی حفظ می شوند. با این حال، در واکنش های هسته ای، تغییرات انرژی بسیار بزرگتر است (با عوامل یک میلیون یا بیشتر)، تغییرات جرم قابل اندازه گیری است و تبدیل ماده به انرژی قابل توجه است. این موضوع در فصل بعدی شیمی هسته ای با جزئیات بیشتری مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
انرژی حرارتی، دما و گرما
انرژی حرارتی انرژی جنبشی مرتبط با حرکت تصادفی اتم ها و مولکول ها است. دما یک اندازه گیری کمی از «گرم» یا «سرد» است. هنگامی که اتم ها و مولکول های موجود در یک جسم به سرعت در حال حرکت یا ارتعاش هستند، میانگین انرژی جنبشی (KE) بالاتری دارند و می گوییم جسم «داغ» است. هنگامی که اتم ها و مولکول ها به آرامی حرکت می کنند، میانگین KE کمتری دارند و ما می گوییم که جسم «سرد» است (شکل\(\PageIndex{3}\)). با فرض اینکه هیچ واکنش شیمیایی یا تغییر فاز (مانند ذوب یا تبخیر) رخ ندهد، افزایش مقدار انرژی حرارتی در یک نمونه از ماده باعث افزایش دمای آن خواهد شد. و با فرض اینکه هیچ واکنش شیمیایی یا تغییر فاز (مانند تراکم یا انجماد) رخ ندهد، کاهش مقدار انرژی حرارتی در یک نمونه از ماده باعث کاهش دمای آن خواهد شد.
برای مشاهده اثرات دما بر روی حرکت مولکولی روی این شبیه سازی تعاملی کلیک کنید.
بیشتر مواد با افزایش دمای آنها منبسط می شوند و با کاهش دمای آنها منقبض می شوند. این ویژگی را می توان برای اندازه گیری تغییرات دما استفاده کرد، همانطور که در شکل نشان داده شده \(\PageIndex{4}\) است. عملکرد بسیاری از دماسنج ها بستگی به انبساط و انقباض مواد در پاسخ به تغییرات دما دارد.
نمایش زیر به شما امکان می دهد تا اثرات گرمایش و سرمایش یک نوار دو فلزی پیچ خورده را مشاهده کنید.
گرما (q) انتقال انرژی حرارتی بین دو جسم در دماهای مختلف است. جریان گرما (یک اصطلاح زائد، اما یکی معمولاً استفاده می شود) انرژی حرارتی یک جسم را افزایش می دهد و انرژی حرارتی جسم دیگر را کاهش می دهد. فرض کنید در ابتدا یک ماده با دمای بالا (و انرژی حرارتی بالا) (H) و یک ماده با دمای پایین (و انرژی حرارتی پایین) (L) داریم. اتم ها و مولکول های H میانگین KE بالاتری نسبت به L دارند. اگر ماده H را در تماس با ماده L قرار دهیم، انرژی حرارتی خود به خود از ماده H به ماده L جریان می یابد. دمای ماده H و همچنین میانگین KE مولکول های آن کاهش می یابد. دمای ماده L همراه با میانگین KE مولکول های آن افزایش می یابد. جریان گرما تا زمانی که دو ماده در یک دما قرار بگیرند ادامه خواهد یافت (شکل\(\PageIndex{5}\)).
با کلیک بر روی شبیه سازی PhET به کشف اشکال انرژی و تغییرات. برای ایجاد ترکیبی از منابع انرژی، روش های تبدیل و خروجی ها به تب سیستم های انرژی مراجعه کنید. با کلیک بر روی نمادهای انرژی تجسم انتقال انرژی.
ماده تحت واکنش های شیمیایی و تغییرات فیزیکی می تواند گرما را آزاد یا جذب کند. تغییری که گرما را آزاد می کند فرآیند گرمازا نامیده می شود. به عنوان مثال، واکنش احتراق که هنگام استفاده از مشعل اکسی استیلن رخ می دهد یک فرآیند گرمازا است - این فرآیند همچنین انرژی را به شکل نور آزاد می کند که توسط شعله مشعل مشهود است (شکل). \(\PageIndex{6}\) واکنش یا تغییری که گرما را جذب می کند یک فرآیند گرماگیر است. یک بسته سرد که برای درمان فشارهای عضلانی استفاده می شود، نمونه ای از یک فرآیند گرماگیر را فراهم می کند. هنگامی که مواد موجود در بسته سرد (آب و نمکی مانند نیترات آمونیوم) با هم جمع می شوند، فرآیند حاصل گرما را جذب می کند و منجر به احساس سرما می شود.
از لحاظ تاریخی، انرژی در واحد کالری (cal) اندازه گیری می شد. کالری مقدار انرژی مورد نیاز برای بالا بردن یک گرم آب به میزان 1 درجه سانتیگراد (1 کلوین) است. با این حال، این مقدار به فشار اتمسفر و دمای شروع آب بستگی دارد. سهولت اندازه گیری تغییرات انرژی در کالری به این معنی است که کالری هنوز هم اغلب استفاده می شود. کالری (با C بزرگ)، یا کالری بزرگ، که معمولا در اندازه گیری محتوای انرژی مواد غذایی استفاده می شود، یک کیلو کالری است. واحد SI گرما، کار و انرژی ژول است. ژول (J) به عنوان مقدار انرژی استفاده می شود زمانی که نیروی 1 نیوتن یک جسم را 1 متر حرکت می دهد تعریف می شود. این نام به افتخار فیزیکدان انگلیسی جیمز پرسکات ژول نامگذاری شدهاست. یک ژول معادل 1 کیلوگرم m 2 /s 2 است که به آن 1 نیوتون-متر نیز گفته می شود. کیلوژول (کیلوژول) 1000 ژول است. برای استاندارد کردن تعریف آن، 1 کالری برابر با 4.184 ژول تعیین شده است.
اکنون دو مفهوم مفید در توصیف جریان گرما و تغییر دما را معرفی می کنیم. ظرفیت گرمایی (C) یک جسم ماده مقدار گرمایی (q) است که هنگام تجربه تغییر دما (Δ T) 1 درجه سانتیگراد (یا به طور معادل 1 کلوین) جذب یا آزاد می کند:
\[C=\frac{q}{\Delta T} \nonumber \]
ظرفیت حرارتی با توجه به نوع و مقدار ماده ای که گرما را جذب یا آزاد می کند تعیین می شود. بنابراین این یک ویژگی گسترده است - ارزش آن متناسب با مقدار ماده است.
به عنوان مثال، ظرفیت های حرارتی دو تابه چدنی را در نظر بگیرید. ظرفیت حرارتی تابه بزرگ پنج برابر بیشتر از ظرف کوچک است زیرا اگرچه هر دو از یک ماده ساخته شده اند، اما جرم تابه بزرگ پنج برابر جرم تابه کوچک است. جرم بیشتر به این معنی است که اتمهای بیشتری در تابه بزرگتر وجود دارند، بنابراین انرژی بیشتری لازم است تا همه این اتمها سریعتر ارتعاش کنند. ظرفیت گرمایی ماهیتابه چدنی کوچک با مشاهده اینکه ۱۸٬۱۵۰ ژول انرژی لازم است تا دمای ماهیتابه را تا ۵۰٫۰ درجه سانتیگراد بالا ببرد، پیدا میشود:
\[C_{\text {small pan }}=\frac{18,140 J }{50.0{ }^{\circ} C }=363 J /{ }^{\circ} C \nonumber \]
ماهیتابه چدنی بزرگتر، در حالی که از همان ماده ساخته شده است، به 90,700 J انرژی نیاز دارد تا دمای آن را تا 50.0 درجه سانتیگراد افزایش دهد. تابه بزرگتر دارای ظرفیت گرمایی (متناسب) بیشتری است زیرا مقدار بیشتر ماده به مقدار (متناسب) بیشتری انرژی نیاز دارد تا همان تغییر دما را ایجاد کند:
\[C_{\text {large pan }}=\frac{90,700 J }{50.0{ }^{\circ} C }=1814 J /{ }^{\circ} C \nonumber \]
ظرفیت گرمایی ویژه (c) یک ماده، که معمولاً «گرمای ویژه» آن نامیده می شود، مقدار گرمای مورد نیاز برای بالا بردن دمای 1 گرم ماده به میزان 1 درجه سانتیگراد (یا 1 کلوین) است:
\[c=\frac{q}{m \Delta T} \nonumber \]
ظرفیت گرمایی ویژه فقط به نوع ماده جذب کننده یا آزاد کننده گرما بستگی دارد. این یک ویژگی فشرده است - نوع، اما نه مقدار آن، همه چیز مهم است. به عنوان مثال، ماهیتابه کوچک چدنی دارای جرم 808 گرم است بنابراین گرمای ویژه آهن (ماده ای که برای ساخت تابه استفاده می شود) عبارت است از:
\[c_{\text {iron }}=\frac{18,140 J }{(808 g )\left(50.0{ }^{\circ} C \right)}=0.449 J / g { }^{\circ} C \nonumber \]
ماهیتابه بزرگ دارای جرم 4040 گرم است با استفاده از داده های این تابه، می توانیم گرمای ویژه آهن را نیز محاسبه کنیم:
\[c_{\text {iron }}=\frac{90,700 J }{(4040 g )\left(50.0{ }^{\circ} C \right)}=0.449 J / g { }^{\circ} C \nonumber \]
اگرچه تابه بزرگ از تابه کوچک عظیم تر است، اما از آنجا که هر دو از یک ماده ساخته شده اند، هر دو برای گرمای ویژه (برای ماده ساخت و ساز، آهن) ارزش یکسانی دارند. توجه داشته باشید که گرمای ویژه در واحد انرژی در هر دما در هر جرم اندازه گیری می شود و یک ویژگی فشرده است که از نسبت دو ویژگی گسترده (گرما و جرم) حاصل می شود. ظرفیت حرارتی مولی، همچنین یک ویژگی فشرده، ظرفیت حرارتی در هر مول از یک ماده خاص است و دارای واحد J/mol° C است (شکل\(\PageIndex{7}\)).
آب دارای گرمای ویژه نسبتاً بالایی است (حدود 4.2 J/g C برای مایع و 2.09 J/g C برای جامد)؛ اکثر فلزات گرمای ویژه بسیار کمتری دارند (معمولاً کمتر از 1 J/g° C). گرمای ویژه یک ماده تا حدودی با درجه حرارت متفاوت است. با این حال، این تغییر معمولاً به اندازه کافی کوچک است که ما گرمای ویژه را در محدوده دمایی که در این فصل در نظر گرفته می شود ثابت می کنیم. گرمای خاص برخی از مواد رایج در جدول ذکر شده \(\PageIndex{1}\) است.
| ماده | نماد (دولت) | گرمای ویژه (J/g° C) |
|---|---|---|
| هلیوم | او (g) | ۵٫۱۹۳ |
| آب | H 2 O (ل) | ۴٫۱۸۴ |
| اتانول | C 2 H 6 O (ل) | ۲٫۳۷۶ |
| یخ | H 2 O (ها) | 2.093 (در دمای -10 درجه سانتیگراد) |
| بخار آب | H 2 O (گرم) | ۱٫۸۶۴ |
| نيتروژن | N 2 (گرم) | ۱٫۰۴۰ |
| هوا | ۱٫۰۰۷ | |
| اکسیژن | O 2 (گرم) | ۰٫۹۱۸ |
| آلومینیوم | آل (ها) | ۰٫۸۹۷ |
| دی اکسید کربن | CO 2 (گرم) | ۰٫۸۵۳ |
| آرگون | Ar (گرم) | ۰٫۵۲۲ |
| آهن | آهن (ها) | ۰٫۴۴۹ |
| مس | مس (ها) | ۰٫۳۸۵ |
| سرب | سرب (ها) | ۰٫۱۳۰ |
| طلا | طلا (ها) | ۰٫۱۲۹ |
| سيليکون | سی (ها) | ۰٫۷۱۲ |
اگر جرم یک ماده و گرمای ویژه آن را بدانیم، می توانیم مقدار گرما، q، ورود یا خروج از ماده را با اندازه گیری تغییر دما قبل و بعد از به دست آوردن یا از دست دادن گرما تعیین کنیم:
\ begin {align}
q & =(\ text {گرمای خاص})\ بار (\ text {جرم ماده})\ بار (\ متن {تغییر دما})\nعدد\\ [4pt]
&=c\ بار m\ بار\ دلتا T\nشماره\\\ [4pt]
&=c\ بار m\ left (T_ {\ text {final} -T_ {\ متن {اولیه}}\ right)\ label {heateq}\ پایان {تراز}
در این معادله، c گرمای ویژه ماده، m جرم آن و Δ T (که «دلتا T» خوانده می شود) تغییر دما، T نهایی− T اولیه است. اگر یک ماده انرژی حرارتی به دست آورد، دمای آن افزایش می یابد، دمای نهایی آن بالاتر از دمای اولیه آن است، T نهایی-T اولیه دارای مقدار مثبت و مقدار q مثبت است. اگر یک ماده انرژی حرارتی را از دست بدهد، دمای آن کاهش می یابد، دمای نهایی پایین تر از دمای اولیه است، T نهایی-T اولیه مقدار منفی دارد و مقدار q منفی است.
یک فلاسک حاوی 8.0 10 2 گرم آب گرم می شود و دمای آب از 21 درجه سانتیگراد به 85 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. آب چقدر گرما جذب کرده است؟
راه حل
برای پاسخ به این سوال، این عوامل را در نظر بگیرید:
- گرمای ویژه ماده ای که گرم می شود (در این مورد، آب)
- مقدار ماده گرم شده (در این مورد، 8.0 × 10 2 گرم)
- مقدار تغییر دما (در این مورد، از 21 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد).
گرمای ویژه آب 4.184 J/g C° است، بنابراین برای گرم کردن 1 گرم آب به میزان 1 درجه سانتیگراد نیاز به 4.184 J داریم توجه داریم که از آنجا که 4.184 J برای گرم کردن 1 گرم آب 1 درجه سانتیگراد لازم است، برای گرم کردن 8.0 × 10 2 گرم آب به میزان 1 درجه سانتیگراد به 800 برابر نیاز خواهیم داشت.. در نهایت مشاهده می کنیم که از آنجا که 4.184 J برای گرم کردن 1 گرم آب 1 درجه سانتیگراد لازم است، به 64 برابر نیاز خواهیم داشت. برای گرم کردن آن 64 درجه سانتیگراد (یعنی از 21 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد).
این را می توان با استفاده از معادله\ ref {heateq} خلاصه کرد:
\ begin {aligned}
q &=c\ بار m\ times\ Delta T=c\ times m\ times\ left (T_ {\ text {نهایی} -T_ {\ text {اولیه}}\ right)\\ [4pt]
&=\ left (4.184 J/\ frac {g} {\ circ} {\ circ} {\ circ} C\ right)\ times\ left (4.184 J/frac {g} {\ circ} {\ circ} C\ right) بار 10^2 گرم\ راست)\ بار (85-21) {} ^ {\ circ} C\\ [4pt]
&=\ چپ (4.184 J/g {} ^ {\ circ} C\ right)\ بار\ چپ (8.0\ بار 10 ^ 2 گرم\ راست)\ بار (64) {} ^ {\ circ} C\ [4pt] &= 210،000 J\ left (=2.1\ بار 10 ^ 2 کیلوژول\ راست)\ پایان {تراز وسط}
به دلیل افزایش دما، آب گرما را جذب می کند و q مثبت است.
چه مقدار گرما، در ژول، باید به یک تابه آهن 502 گرم اضافه شود تا دمای آن از 25 درجه سانتیگراد به 250 درجه سانتیگراد افزایش یابد؟ گرمای ویژه آهن 0.449 J/g° C است.
- پاسخ
-
۵٫۰۷ ۱۰ ۴ جی
توجه داشته باشید که رابطه بین گرما، گرمای ویژه، جرم و تغییر دما می تواند برای تعیین هر یک از این کمیت ها (نه فقط گرما) مورد استفاده قرار گیرد، اگر سه مورد دیگر شناخته شده باشند یا قابل استنباط باشند.
یک قطعه فلز ناشناخته 348 گرم وزن دارد. هنگامی که قطعه فلزی 6.64 کیلوژول گرما را جذب می کند، دمای آن از 22.4 درجه سانتیگراد به 43.6 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. گرمای ویژه این فلز را تعیین کنید (که ممکن است سرنخی از هویت آن ارائه دهد).
راه حل
از آنجایی که تغییر جرم، گرما و دما برای این فلز شناخته شده است، می توانیم گرمای ویژه آن را با استفاده از رابطه در معادله\ ref {heateq} تعیین کنیم:
\[q=c \times m \times \Delta T=c \times m \times\left(T_{\text {final }}-T_{\text {initial }}\right) \nonumber \]
جایگزینی مقادیر شناخته شده:
\[6640 J =c \times(348 g ) \times(43.6-22.4){ }^{\circ} C \nonumber \]
حل کردن:
\[c=\frac{6640 J }{(348 g ) \times\left(21.2{ }^{\circ} C \right)}=0.900 J / g^{\circ} C \nonumber \]
مقایسه این مقدار با مقادیر در جدول\(\PageIndex{1}\)، این مقدار با گرمای ویژه آلومینیوم مطابقت دارد، که نشان می دهد فلز ناشناخته ممکن است آلومینیوم باشد.
یک قطعه فلز ناشناخته 217 گرم وزن دارد. هنگامی که قطعه فلزی 1.43 کیلوژول گرما را جذب می کند، دمای آن از 24.5 درجه سانتیگراد به 39.1 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. گرمای ویژه این فلز را تعیین کنید و هویت آن را پیش بینی کنید.
- پاسخ
-
c = 0.451 J/g° C؛ فلز احتمالا آهن است
نور خورشید که به زمین می رسد حاوی هزاران برابر انرژی است که ما در حال حاضر جذب می کنیم. سیستم های حرارتی خورشیدی یک راه حل ممکن برای مشکل تبدیل انرژی از خورشید به انرژی است که می توانیم استفاده کنیم. نیروگاه های حرارتی خورشیدی در مقیاس بزرگ مشخصات طراحی متفاوتی دارند، اما همه نور خورشید را برای گرم کردن برخی از مواد متمرکز می کنند. گرمای «ذخیره شده» در آن ماده سپس به برق تبدیل می شود.
ایستگاه تولید سولانا در صحرای سونورا آریزونا 280 مگاوات برق تولید می کند. از آینه های سهموی استفاده می کند که نور خورشید را روی لوله های پر از مایع انتقال حرارت (HTF) متمرکز می کند (شکل\(\PageIndex{8}\)). HTF سپس دو کار انجام می دهد: آب را به بخار تبدیل می کند، که توربین ها را می چرخاند، که به نوبه خود برق تولید می کند و مخلوطی از نمک ها را ذوب و گرم می کند که به عنوان یک سیستم ذخیره انرژی حرارتی عمل می کند. پس از غروب خورشید، مخلوط نمک مذاب می تواند به اندازه کافی گرمای ذخیره شده خود را آزاد کند تا بخار تولید کند تا توربین ها را به مدت 6 ساعت کار کند. نمک مذاب استفاده می شود زیرا آنها دارای تعدادی از خواص مفید، از جمله ظرفیت های حرارتی بالا و هدایت حرارتی.
سیستم تولید خورشیدی ۳۷۷ مگاواتی ایوانپا، واقع در صحرای موهاوی در کالیفرنیا، بزرگترین نیروگاه حرارتی خورشیدی در جهان است (شکل). \(\PageIndex{9}\) 170،000 آینه آن مقدار زیادی از نور خورشید را بر روی سه برج پر از آب متمرکز می کند و بخار را در دمای بیش از 538 درجه سانتیگراد تولید می کند که توربین های تولید کننده برق را هدایت می کند. این انرژی به اندازه کافی برای تأمین انرژی 140 هزار خانه تولید می کند. آب به دلیل ظرفیت گرمایی زیاد و گرمای تبخیر به عنوان سیال عامل استفاده می شود.
