Sciaching_Icons_Science

Наукові_Ікони_Біологія

Наукові_Ікони_Клітини

Наукові_Ікони_Молекулярна

Наукові_Ікони_Мікроорганізми

Sciaching_Icons_Genetics

Наукові_Ікони_Людське тіло

Наукові_Ікони_Екологія

Наукові_Ікони_Хімія

Sciaching_Icons_Atomic & Molecular Structure

Атомна та молекулярна структура

Наукові_Ікони_Облігації

Наукові_Ікони_Реакції

Наукові_Ікони_Стіхіометрія

Sciaching_Icons_Solutions

Наукові_Ікони_Кислоти та основи

Наукові_Ікони_Термодинаміка

Наукові_Ікони_Органічна хімія

Наукові_Ікони_Фізика

Наукові_Ікони_Основи-фізика

Наукові_Ікони_Електроніка

Наукові_Ікони_Хвилі

Наукові_Ікони_Енергія

Sciaching_Icons_Fluid

Наукові_Ікони_Астрономія

Наукові_Ікони_Геологія

Наукові_Ікони_Основи-Геологія

Наукові_Ікони_Мінерали та гірські породи

Наука_Ікони_Скульптура землі

Наукові_Ікони_Копалини

Наукові_ікони_Природні катастрофи

Sciaching_Icons_Nature

Наукові_Ікони_Екосистеми

Наукові_Ікони_Екологія

Наукові_Ікони_Інсекти

Sciaching_Icons_Рослини та гриби

Наукові_Ікони_Тварини

Наукові_Ікони_Арифметика

Наукові_Ікони_Додавання та віднімання

Наукове_Ікони_Умноження та поділ

Sciencing_Icons_Decimals

Наукові_Ікони_Фракції

Наукові_Ікони_Конверсії

Наукові_Ікони_Алгебра

Sciaching_Icons_Робота з одиницями

Робота з одиницями

Sciaching_Icons_Equations & Expressions

Наукові_Ікони_Співвідношення та пропорції

Наукові_Ікони_Нірівності

Sciaching_Icons_Exponents & Logarithms

Наукові_Ікони_Факторизація

Наукові_Ікони_Функції

Наукові_Іконки_Лінійні рівняння

Наукові_Ікони_Графи

Наукові_Ікони_Квадратика

Наукові_Ікони_Поліноми

Наукові_Ікони_Геометрія

Наукові_Ікони_Основи-Геометрія

Наукові_Ікони_декартові

Наукові_Ікони_Кола

Sciaching_Icons_Solids

Наукові_Ікони_Тригонометрія

Sciencing_Icons_Probability-Statistics

Sciaching_Icons_Mean-Median-Mode

Sciencing_Icons_Independent-Dependent Variables

Наукові_Ікони_Відхилення

Наукові_Ікони_Кореляція

Наукове_Ікони_Відбір

Sciaching_Icons_Distributions

Наукові_Ікони_Надійність

Наукові_Ікони_Калькулюс

Sciencing_Icons_Differentiation-Integration

Застосування_Ікон_Застосування

Наукові_Ікони_Біологія

Наукові_Ікони_Хімія

Наукові_Ікони_Фізика

Наукові_Ікони_Геологія

Sciaching_Icons_Nature

Наукові_Ікони_Арифметика

Наукові_Ікони_Алгебра

Наукові_Ікони_Геометрія

Sciencing_Icons_Probability-Statistics

Наукові_Ікони_Калькулюс

Як перетворити Цельсій в Кіложуль

У якийсь момент у вашому житті ви, мабуть, замислювались, що таке калорійність - це після перегляду етикетки з інформацією про харчування для даної їжі. Багато людей люблять бачити менші цифри, пов’язані зі скануванням таких етикеток, що таке калорія?

І як "калорії" додають масу живим системам, якщо це відбувається насправді? І як ви можете бути впевнені, що кількість калорій, перерахованих для даного предмета - будь це значення, що заспокоює чи пригнічує - була точно визначена?

Тепло є однією з багатьох властивостей навколишнього світу, яку ви, напевно, можете добре описати кількома своїми вдало підібраними словами, але вона має більш цілеспрямоване значення у фізичних науках. Калорія є мірою тепла, як і джоуль (J) і британська теплова одиниця (btu). Вивчення теплообміну - це розділ фізичної науки, відомий як калориметрія, що в свою чергу спирається на прилади, які називаються калориметрами.

Інтуїтивно зрозуміло, що вам може здатися дивним те, що охолоджена або заморожена їжа, така як морозиво та чізкейк, може вмістити в невелику порцію багато того, що нібито нагрівається. Крім того, якщо калорії якимось чином перетворюються на нагрівання, чи не повинні продукти харчування, що забезпечують їх більшу кількість, насправді призвести до втрати ваги, а не до додавання маси тіла?

Це хороші запитання, і після того, як ви «прогорите» решту цієї статті, ви отримаєте ці відповіді та багато іншого, щоб взяти участь у наступній лабораторії калориметрії або обговоренні спортивного харчування.

Що таке тепло у фізиці?

Тепло можна сприймати головним чином як теплову енергію. Як і інші форми енергії, він має одиниці джоулів (або еквівалент в одиницях, що не належать до СІ). Тепло - це невловима величина, оскільки його важко виміряти безпосередньо. Натомість, зміни температури в контрольованих експериментальних умовах можуть бути використані для того, щоб визначити, чи система набрала чи втратила тепло.

Той факт, що тепло розглядається як енергія, означає, що його відстеження є математично простою вправою, навіть якщо іноді експерименти ускладнюють встановлення умов, в яких теплова енергія не витікає і не може уникнути вимірювань. Але через такі фундаментальні реалії, як закон збереження енергії, Табуляція тепла в принципі досить проста.

Матеріали мають різний рівень стійкості до змін температури, коли до певної кількості цієї речовини додається певна кількість тепла. Тобто, якщо ви взяли 1 кілограм речовини А і 1 кілограм речовини В і додали однакову кількість тепла до кожної, причому жодне тепло не дозволяло залишати жодну систему, температура А могла б зрости лише на одну п’яту стільки, скільки температура речовини В робить.

Це означало б, що речовина А має питому теплоємність, яка вп’ятеро перевищує температуру речовини А, концепція якої буде детально досліджена нижче.

Одиниці тепла і "Калорія"

"Калорія", зазначена на етикетках харчових продуктів, насправді є кілокалорією, або ккал. Отже, насправді типова банка цукрової соди містить близько 120 000 калорій, що виражається умовно як калорія в повсякденному спілкуванні.

Калорія - це латинське слово, яке, відповідно, тепла.

Калорія еквівалентна приблизно 4,184 Дж, це означає, що ккал, який обробляється як калорія на етикетках продуктів харчування, дорівнює 4184 Дж або 4,184 кДж. Норма витрат енергії (джоулів на секунду) у фізичній науці називається потужністю, а одиницею СІ - вата (Вт), що дорівнює 1 Дж/с. Отже, одна ккал - це достатня кількість енергії для живлення системи, що гуде при 0,35 до 0,4 кВт (350 Дж/с) протягом приблизно 12 секунд:

P = E/t, отже t = E/P = 4,186 кДж/(0,35 кДж/с) = 12,0.

Тренований спортсмен на витривалість, такий як велосипедист або бігун, здатний підтримувати таку потужність протягом тривалих періодів. Тоді теоретично енергетичний напій на 100 "калорій" (100 ккал) міг би тримати олімпійського велосипедиста або марафонця приблизно 100 разів 12 секунд або 20 хвилин. Оскільки людська система не є майже на 100 відсотків механічно ефективною, вона фактично вимагає більше 300 ккал для роботи з майже повною аеробною потужністю протягом такого тривалого часу.

калорійність визначається як кількість тепла, необхідна для підвищення температури 1 граму води на 1 градус Цельсія. Однією з проблем цього є те, що спостерігається незначне коливання температури води з температурою в межах діапазону температур, при яких H2O є рідиною. Поняття "питоме" в "питомому нагріванні" відноситься не тільки до конкретних матеріалів, але і до певної температури.

Конкретна теплоємність більшості матеріалів наведена при 20

Теплоємність та питома теплоємність, що визначаються

Технічно терміни "теплоємність" та "питома теплоємність" означають різні речі, хоча ви можете бачити, що вони використовуються як взаємозамінні в менш суворих джерелах.

Теплоємність, коли вона була спочатку створена, стосувалася просто кількості тепла, необхідного для прогрівання цілого предмета (який може бути виготовлений з декількох матеріалів) на певну кількість. Питома теплоємність відноситься до кількості тепла, необхідного для підвищення температури 1 грам конкретного матеріалу на 1 градус Цельсія або Кельвіна (° C або K).

Хоча температурні шкали Цельсія та Кельвіна неоднакові, вони відрізняються на фіксовану величину, як ° C + 273 = K, де K не може бути від’ємним. Це означає, що дана чисельна зміна температури в одній шкалі виробляє однакову величину зміни в іншій, на відміну від випадку з перетвореннями за Фаренгейтом-Цельсієм.

Замість того, щоб скоротити "питома теплоємність" до "теплоємність", натомість використовуйте цей термін питоме тепло, як і конвенція в авторитетних джерелах.

Що таке калориметрія?

Призначення a калориметр полягає у вловлюванні тепла, що виділяється в якомусь процесі, наприклад екзотермічній хімічній реакції, яка інакше втрачається для навколишнього середовища. Коли відомі зміна температури в системі, а також маса та питома теплоємність калориметричного вузла, можна визначити кількість тепла, яке входить в систему в процесі. Приклади подано у наступному розділі.

Калориметр можна побудувати з безлічі різних матеріалів, за умови, що вони будуть ізоляційними (тобто не дозволяють теплопередачі; цей термін також використовується в електромагнетизмі для позначення опору проти передачі електричного заряду).

Одну поширену версію можна зробити із чашки із пінополістиролу та добре прилягаючої кришки. У цьому калориметрі для кавової чашки вода зазвичай використовується як розчинник, а термометр та (за необхідності) мішалка щільно кріпляться через невеликі отвори в кришці чашки.

Формула калориметрії

Зміна теплоти замкнутої системи (позитивна за визначенням у випадку калориметра) визначається добутком маси системи, теплоємності калориметра та зміни температури системи:

Q = виділене тепло (рівне поглиненому теплу - тепло, що виділяється) в джоулях (Дж)
m = маса в кілограмах (кг)
c = питома теплоємність в Дж/кг⋅ ° C (або Дж/кг⋅K)
∆T = зміна температури в ° C (або K)

Тепло, яке виділяється від будь-якої екзотермічної (тепловиділяючої) хімічної реакції, що відбувається в калориметрі, зазвичай розповсюджується в навколишньому середовищі. Це втрата, що крейдиться до зміни термодинамічної величини, відомої як ентальпія що описує як внутрішню енергію системи, так і зміни у співвідношенні тиск-об’єм системи. Натомість це тепло затримується між розчинником і кришкою чашки.

Раніше була представлена ідея збереження енергії. Оскільки тепло, що надходить в калориметр, повинно дорівнювати теплу, що виділяється системою в калориметрі, що складається з самих реагентів та продуктів, знак зміни теплоти для цієї системи є негативним і має таку ж величину, як тепло, отримане калориметром.

Вищезазначені та пов’язані з ними твердження передбачають, що з калориметра не виділяється лише тепло або незначна кількість тепла. Тепло переміщується з більш теплих на більш прохолодні місця, коли ізоляція відсутня, тому без належної ізоляції тепло залишатиме калориметричний вузол у навколишньому середовищі, якщо температура навколишнього середовища не тепліша, ніж температура калориметра.

Деякі загальні питомі теплоємності

Наступна діаграма включає питому теплоту в Дж/кг⋅ ° C деяких часто зустрічаються елементів та сполук.

H2O, лід: 2,108
H2O, вода: 4.184
H2O, водяна пара: 2,062
Метанол: 2,531
Етанол: 2,438
Бензол: 1,745
Вуглець, графіт: 0,709
Вуглець, діамант: 0,509
Алюміній: 0,897
Залізо: 0,449
Мідь: 0,385
Золото: 0,129

Поварена сіль (NaCl): 0,864

Кварц: 0,742

Кальцит: 0,915

Зверніть увагу, що вода має надзвичайно велику теплоємність. Можливо, протилежним є той факт, що грам води буде прогріватися менше, ніж на десяту частину, ніж грам води з такою ж кількістю доданого тепла, але це важливо для життя навколо планети.

Вода становить близько трьох четвертих вашого тіла, завдяки чому ви можете переносити значні коливання температури навколишнього середовища. Більш широко, океани виступають як резервуари тепла, допомагаючи стабілізувати температуру у всьому світі.

Теплоємність калориметра

Тепер ви готові до деяких обчислень з використанням калориметрів.

Приклад 1: Спочатку візьмемо простий випадок, коли грам гідроксиду натрію (NaOH) розчиняють у 50 мл води при 25 ° C. Візьмемо теплоємність води при цій температурі 4,184 Дж/кг⋅ ° C, а 50 мл води мають масу 50 грам, або 0,05 кг. Якщо температура розчину зростає до 30,32 ° С, скільки тепла отримує калориметр?

У вас Q = mc∆T = (0,05 кг) (4,184 кДж/кг⋅ ° C) (30,32 - 5,32 ° C)

= 1,113 кДж або 1113 Дж.

Приклад 2: Тепер розглянемо випадок домашнього накопичувача сонячної енергії, який з часом стає все більш популярним. Припустимо, цей пристрій використовує 400 л води для зберігання теплової енергії.

У ясний літній день початкова температура води становить 23,0 ° C. Протягом доби температура води піднімається до 39,0 ° C, коли вона циркулює через "водяну стінку" установки. Скільки енергії накопичилось у воді?

Знову ж, припустимо, що маса води становить 400 кг, тобто, що щільність води можна вважати рівно 1,0 в цьому діапазоні температур (це спрощення).

Рівняння відсотків цього разу:

Q = mc∆T = (400 кг) (4,184 кДж/кг⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)

= 26 778 Дж = 26,78 кДж.

Цього достатньо енергії для живлення обігрівача приміщення потужністю 1,5 кВт приблизно на 17 секунд:

(26,78 кДж) (кВт/(кДж/с)/(1,5 кВт) = 17,85 с

Швидше за все, власники будинків мають інше використання, якщо вони живуть у сонячному будинку.

Калориметричний калькулятор

Ви можете використовувати онлайн-калькулятори, які дозволяють легко перетворювати між одиницями питомого тепла, включаючи незвичайні, але не повністю вимерлі одиниці, такі як Btu/lbm o F.