Kandungan
- Sains Termodinamik
- Apakah Kapasiti Haba?
- Kapasiti Haba: Pengiraan Mudah
- Apakah nisbah Cp ke Cv γ?
- Cp dan Cv Air
Kapasiti haba adalah istilah dalam fizik yang menggambarkan berapa banyak haba mesti ditambah kepada suatu bahan untuk menaikkan suhunya dengan 1 darjah Celsius. Ini berkaitan dengan, tetapi berbeza daripada, haba tertentu, iaitu jumlah haba yang dibutuhkan untuk menaikkan 1 gram (atau sebilangan unit tetap jisim yang lain) dari bahan dengan 1 darjah Celcius. Menjana bahan-bahan haba keupayaan C dari haba spesifiknya S adalah masalah untuk mendarab dengan jumlah bahan yang ada dan pastikan anda menggunakan unit yang sama jisim sepanjang masalah. Kapasiti haba, secara ringkas, adalah indeks keupayaan objek untuk menolak dipanaskan oleh penambahan tenaga panas.
Perkara boleh wujud sebagai pepejal, cecair atau gas. Dalam contoh gas, kapasiti haba boleh bergantung kepada kedua-dua tekanan ambien dan suhu ambien. Para saintis sering ingin mengetahui kapasiti haba gas pada tekanan malar, sementara pembolehubah lain seperti suhu dibenarkan berubah; ini dikenali sebagai Cp. Begitu juga, ia mungkin berguna untuk menentukan kapasiti haba gass pada isipadu malar, atau Cv. Nisbah Cp kepada Cv menawarkan maklumat penting mengenai sifat termodinamik gas.
Sains Termodinamik
Sebelum memulakan perbincangan mengenai keupayaan haba dan haba tertentu, adalah penting untuk terlebih dahulu memahami asas-asas pemindahan haba dalam fizik, dan konsep haba secara umum, dan membiasakan diri dengan beberapa persamaan asas disiplin.
Termodinamik adalah cabang fizik yang mengendalikan kerja dan tenaga sistem. Kerja, tenaga dan haba semua mempunyai unit yang sama dalam fizik walaupun mempunyai makna yang berbeza dan aplikasi. Unit SI (standard antarabangsa) haba ialah joule. Kerja ditakrifkan sebagai kuasa didarab dengan jarak, jadi, dengan melihat unit SI bagi setiap kuantiti ini, joule adalah perkara yang sama dengan meter baru. Unit-unit lain yang mungkin anda hadapi untuk haba termasuk kalori (kal), unit termal British (btu) dan erg.(Perhatikan bahawa "kalori" yang anda lihat pada label pemakanan makanan sebenarnya adalah kilokalori, "kilo-" sebagai awalan Yunani yang menandakan "seribu"; oleh itu, apabila anda memerhatikannya, katakan, soda 12 ounce mengandungi 120 " kalori, "ini sebenarnya sama dengan 120,000 kalori dalam istilah fizikal formal.)
Gas bertindak berbeza dari cecair dan pepejal. Oleh itu, ahli fizik dalam dunia aerodinamik dan disiplin yang berkaitan, yang secara semula jadi sangat prihatin terhadap tingkah laku udara dan gas lain dalam kerja mereka dengan enjin berkelajuan tinggi dan mesin terbang, mempunyai kebimbangan khusus tentang kapasiti panas dan parameter fizikal kuantitatif lain yang berkaitan untuk perkara di negeri ini. Satu contoh ialah entalpi, yang merupakan ukuran haba dalaman suatu sistem tertutup. Ia adalah jumlah tenaga sistem ditambah dengan produk tekanan dan kelantangannya:
H = E + PV
Lebih khusus lagi, perubahan entalpi berkaitan dengan perubahan dalam jumlah gas oleh hubungan:
ΔH = E + PΔV
Simbol Yunani Δ, atau delta, bermaksud "perubahan" atau "perbezaan" oleh konvensyen dalam fizik dan matematik. Di samping itu, anda boleh mengesahkan bahawa jumlah masa tekanan memberi unit kerja; tekanan diukur dalam newtons / m2, manakala isipadu boleh dinyatakan dalam m3.
Juga, tekanan dan isipadu gas berkaitan dengan persamaan:
PΔV = RΔT
di mana T ialah suhu, dan R adalah pemalar yang mempunyai nilai yang berbeza bagi setiap gas.
Anda tidak perlu membuat persamaan ini untuk ingatan, tetapi mereka akan dibincangkan semula dalam perbincangan kemudian tentang Cp dan Cv.
Apakah Kapasiti Haba?
Seperti yang dinyatakan, kapasiti haba dan haba tertentu adalah kuantiti yang berkaitan. Yang pertama sebenarnya timbul dari yang kedua. Haba spesifik adalah pemboleh ubah negeri, yang bermaksud bahawa ia hanya berkaitan dengan sifat-sifat intrinsik bahan dan bukan berapa banyaknya ia hadir. Oleh itu, ia dinyatakan sebagai jisim haba per unit. Kapasiti haba, sebaliknya, bergantung pada berapa banyak bahan yang dimaksudkan sedang menjalani perpindahan haba, dan bukan pemboleh ubah keadaan.
Semua perkara mempunyai suhu yang berkaitan dengannya. Ini mungkin bukan perkara pertama yang terfikir apabila anda melihat objek ("Saya hairan bagaimana buku itu hangat?"), Tetapi di sepanjang jalan, anda mungkin telah mengetahui bahawa saintis tidak pernah berjaya mencapai suhu sifar mutlak di bawah apa-apa keadaan, walaupun mereka telah datang dengan agonizingly rapat. (Sebab orang berhasrat melakukan perkara seperti ini mempunyai kaitan dengan sifat kekonduksian yang sangat tinggi bahan-bahan yang sangat sejuk, hanya memikirkan nilai konduktor elektrik fizikal dengan hampir tiada rintangan.) Suhu adalah ukuran gerakan molekul . Dalam bahan pepejal, bahan diatur dalam kisi atau grid, dan molekul tidak bebas bergerak. Dalam cecair, molekul lebih bebas untuk bergerak, tetapi mereka masih terkekang. Dalam gas, molekul boleh bergerak dengan sangat bebas. Walau apa pun, ingatlah bahawa suhu rendah menyiratkan pergerakan molekul yang sedikit.
Apabila anda ingin memindahkan objek, termasuk diri anda, dari satu lokasi fizikal ke tempat lain, anda perlu membelanjakan tenaga - atau secara alternatif, lakukan kerja - untuk melakukannya. Anda perlu bangun dan berjalan di seberang bilik, atau anda perlu menekan pedal pemecut sebuah kereta untuk memaksa bahan api melalui enjinnya dan memaksa kereta bergerak. Begitu juga, pada peringkat mikro, input tenaga ke dalam sistem diperlukan untuk membuat molekul bergerak. Jika input tenaga ini mencukupi untuk menyebabkan peningkatan dalam gerakan molekul, maka berdasarkan perbincangan di atas, ini semestinya membayangkan bahawa suhu bahan meningkat juga.
Bahan-bahan biasa yang berlainan mempunyai nilai yang berbeza-beza dari haba tertentu. Di antara logam, sebagai contoh, cek emas di 0.129 J / g ° C, bermakna 0.129 joule haba mencukupi untuk menaikkan suhu 1 gram emas dengan 1 darjah Celsius. Ingatlah, nilai ini tidak berubah berdasarkan jumlah emas yang ada sekarang, kerana jisimnya telah diambilkira dalam penyebut unit-unit haba tertentu. Ini tidak berlaku untuk kapasiti haba, seperti yang anda akan dapati.
Kapasiti Haba: Pengiraan Mudah
Ia mengejutkan ramai pelajar fizik pengenalan bahawa haba spesifik air, 4.179, jauh lebih tinggi daripada logam biasa. (Dalam artikel ini, semua nilai haba tertentu diberikan dalam J / g ° C.) Juga, kapasiti haba ais, 2.03, adalah kurang daripada separuh daripada air, walaupun kedua-duanya terdiri daripada H2O. Ini menunjukkan bahawa keadaan sebatian, dan bukan hanya molekulnya, mempengaruhi nilai haba spesifiknya.
Walau apa pun, katakan bahawa anda diminta untuk menentukan berapa banyak haba diperlukan untuk menaikkan suhu 150 g besi (yang mempunyai haba tertentu, atau S, dari 0.450) hingga 5 C. Bagaimana anda boleh pergi?
Pengiraannya sangat mudah; kalikan haba spesifik S dengan jumlah bahan dan perubahan suhu. Oleh kerana S = 0.450 J / g ° C, jumlah haba yang perlu ditambah dalam J adalah (0.450) (g) (ΔT) = (0.450) (150) (5) = 337.5 J. Cara lain untuk menyatakan ini adalah untuk mengatakan bahawa kapasiti haba 150 g besi adalah 67.5 J, yang tidak lebih daripada haba spesifik S didarab dengan jisim bahan yang ada. Jelas sekali, walaupun kapasiti haba air cecair adalah tetap pada suhu tertentu, ia akan mengambil lebih banyak haba untuk menghangatkan salah satu Tasik Besar dengan bahkan sepersepuluh darjah daripada yang diperlukan untuk memanaskan satu liter air dengan 1 darjah , atau 10 atau bahkan 50.
Apakah nisbah Cp ke Cv γ?
Dalam bahagian sebelumnya, anda telah diperkenalkan kepada idea mengenai kapasiti haba kontigen untuk gas - iaitu nilai kapasiti haba yang digunakan untuk bahan tertentu di bawah keadaan di mana sama ada suhu (T) atau tekanan (P) sepanjang masalah. Anda juga diberi persamaan asas ΔH = E + PΔV dan PΔV = RΔT.
Anda dapat melihat dari dua persamaan terakhir bahawa cara lain untuk menyatakan perubahan dalam entalpi, ΔH, adalah:
E + RΔT
Walaupun tidak ada derivasi yang disediakan di sini, satu cara untuk menyatakan undang-undang termodinamik pertama, yang terpakai kepada sistem tertutup dan yang mungkin anda dengar secara colloquial dinyatakan sebagai "Tenaga tidak dicipta dan dimusnahkan," adalah:
ΔE = CvΔT
Dalam bahasa biasa, ini bermakna apabila sejumlah tenaga ditambah ke sistem termasuk gas, dan jumlah gas itu tidak dibenarkan berubah (ditunjukkan oleh subskrip V di Cv), suhunya mesti meningkat secara langsung ke nilai kapasiti haba gas itu.
Hubungan lain wujud di antara pembolehubah ini yang membolehkan pengambilan kapasiti haba pada tekanan malar, Cp, bukannya isipadu malar. Hubungan ini adalah satu lagi cara untuk menerangkan entalpi:
ΔH = CpΔT
Jika anda mengamalkan algebra, anda boleh mencapai hubungan kritikal antara Cv dan Cp:
Cp = Cv + R
Maksudnya, keupayaan haba gas pada tekanan malar adalah lebih besar daripada kapasiti haba pada isipadu malar oleh beberapa R yang tetap yang berkaitan dengan sifat khusus gas di bawah pengawasan. Ini menjadikan rasa intuitif; jika anda bayangkan gas yang dibenarkan untuk berkembang sebagai tindak balas kepada tekanan dalaman yang semakin meningkat, anda mungkin mungkin menyangka bahawa ia perlu memanaskan kurang sebagai tindak balas kepada penambahan tenaga daripada jika ia terhad kepada ruang yang sama.
Akhir sekali, anda boleh menggunakan semua maklumat ini untuk mentakrifkan pemboleh ubah khusus yang lain, γ, iaitu nisbah Cp kepada Cv, atau Cp/ Cv. Anda dapat melihat dari persamaan sebelumnya bahawa nisbah ini meningkat untuk gas dengan nilai R. yang lebih tinggi.
Cp dan Cv Air
The Cp dan Cv Udara adalah penting dalam kajian dinamik bendalir kerana udara (terdiri daripada campuran kebanyakannya nitrogen dan oksigen) adalah gas yang paling umum yang dialami manusia. Kedua-duanyap dan Cv adalah bergantung kepada suhu, dan tidak tepat pada tahap yang sama; seperti yang berlaku, Cv meningkat sedikit lebih cepat dengan peningkatan suhu. Ini bermakna bahawa "malar" γ tidak selalunya berterusan, tetapi ia mengejutkan hampir pelbagai suhu yang mungkin. Sebagai contoh, pada 300 darjah Kelvin, atau K (sama dengan 27 C), nilai γ ialah 1,400; pada suhu 400 K, iaitu 127 C dan jauh di atas titik didih air, nilai γ ialah 1.395.