חום ספציפי: ממה הוא מורכב, כיצד הוא מחושב ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

החום הסגולי הוא כמות האנרגיה להיקלט גרם אחד של חומר כדי להגדיל את הטמפרטורה שלו על ידי במעלת צלסיוס אחת. זהו מאפיין פיזי אינטנסיבי, מכיוון שהוא אינו תלוי במסה שכן הוא בא לידי ביטוי רק עבור גרם אחד של חומר; עם זאת, זה קשור למספר החלקיקים והמסה הטוחנית שלהם, כמו גם לכוחות הבין-מולקולריים שקושרים אותם.

כמות האנרגיה שנספגת על ידי החומר באה לידי ביטוי ביחידות של ג'ול (J), ופחות נפוצה, בקלוריות (Cal). באופן כללי, ההנחה היא שאנרגיה נספגת באמצעות חום; עם זאת, האנרגיה יכולה להגיע ממקור אחר, כמו עבודה שנעשית על החומר (בחישה קפדנית, למשל).

מים רותחים. מקור: Pixabay

בתמונה למעלה נראה קומקום ממנו משתחררים אדי המים הנוצרים כתוצאה מחימוםו. כדי לחמם את המים, עליו לספוג חום מהלהבה הממוקמת מתחת לקומקום. כך, ככל שיעבור הזמן, ובהתאם לעוצמת השריפה, המים ירתחו כאשר יגיעו לנקודת הרתיחה.

חום ספציפי קובע כמה מים אנרגיה צורכת עבור כל מעלות צלזיוס שהטמפרטורה שלהם עולה. ערך זה קבוע אם מחממים נפחים שונים של מים באותו קומקום, שכן כאמור בהתחלה, מדובר בנכס אינטנסיבי.

מה שמשתנה הוא כמות האנרגיה הכוללת שנספגת על ידי כל מסה של מים מחוממים, הידועה גם כקיבולת החום. ככל שמסת המים שיש לחמם גדולה יותר (2, 4, 10, 20 ליטר), כך קיבולת החום שלהם גדולה יותר; אבל החום הספציפי שלו נשאר זהה.

מאפיין זה תלוי בלחץ, בטמפרטורה ובנפח; עם זאת, לצורך הבנה פשוטה, הושיטו הווריאציות שלהם.

מהו חום ספציפי?

מה פירוש החום הספציפי לחומר נתון הוגדר. עם זאת, המשמעות האמיתית שלו באה לידי ביטוי טוב יותר עם הנוסחה שלה, שמבהירה דרך יחידותיה מהן המרווחים שהיא כרוכה כאשר מנתחים את המשתנים שהם תלויים בהם. הנוסחה שלה היא:

Ce = Q / ΔT m

כאשר Q הוא החום הספוג, Δ T השינוי בטמפרטורה, ו- m הוא המסה של החומר; שלפי ההגדרה תואם גרם. בניתוח היחידות שיש לנו:

Ce = J / ºC · g

שיכולים לבוא לידי ביטוי גם בדרכים הבאות:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · ק"ג

הראשון שבהם הוא הפשוט ביותר, ואיתו ניגשים הדוגמאות בסעיפים הבאים.

הנוסחה מציינת במפורש את כמות האנרגיה שנספגת (J) על ידי גרם אחד של חומר בדרגה אחת ºC. אם היינו רוצים לפנות את כמות האנרגיה הזו, היינו צריכים להשאיר את המשוואה J בצד:

J = Ce · ºC · g

זה שבא לידי ביטוי בצורה מתאימה יותר ועל פי המשתנים יהיה:

Q = Ce ΔT m

כיצד מחושב חום ספציפי?

מים כהפניה

בנוסחה לעיל 'm' אינו מייצג גרם של חומר, מכיוון שהוא כבר נמצא במרומז ב- Ce. פורמולה זו שימושית מאוד לחישוב החימום הספציפי של חומרים שונים באמצעות קלורימטריה.

אֵיך? שימוש בהגדרת הקלוריות, שהיא כמות האנרגיה הדרושה לחימום גרם מים מ- 14.5 ל- 15.5ºC; זה שווה ל 4,184 ג '.

החום הספציפי של מים הוא גבוה באופן חריג, ומאפיין זה משמש למדידת החימום הספציפי של חומרים אחרים הידיעה בערך 4.184 J.

מה המשמעות של חום ספציפי להיות גבוה? שהיא מציעה התנגדות רבה להעלאת הטמפרטורה שלה, ולכן עליה לספוג יותר אנרגיה; כלומר, יש לחמם מים הרבה יותר זמן בהשוואה לחומרים אחרים, אשר בסביבת מקור חום מתחממים כמעט מייד.

מסיבה זו משתמשים במים במדידות קלורימטריות, מכיוון שהם אינם חווים שינויים פתאומיים בטמפרטורה כאשר סופגים את האנרגיה המשתחררת מתגובות כימיות; או, למקרה זה, ממגע עם חומר חם יותר.

שיווי משקל תרמי

מכיוון שמים צריכים לספוג חום רב כדי להעלות את הטמפרטורה שלהם, החום יכול להגיע למשל ממתכת חמה. אם לוקחים בחשבון את מסות המים והמתכת, יתרחש ביניהם חילופי חום עד אשר יגיע למה שנקרא שיווי משקל תרמי.

כאשר זה קורה, הטמפרטורות של המים והמתכת משתוות. החום המוענק על ידי מתכת חמה שווה לחום שנספג במים.

התפתחות מתמטית

בידיעה זו, ועם הנוסחה האחרונה ל- Q שתיארה זה עתה, יש לנו:

_מים Q = = Q _מתכת

הסימן השלילי מציין כי חום משתחרר מהגוף החם יותר (מתכת) לגוף הקריר יותר (מים). לכל חומר יש חום ספציפי משלו, והמסה שלו, ולכן יש לפתח ביטוי זה באופן הבא:

_מים Q = _מים Ce · _מים T _מים · _{מים מים} = - ( _{מתכת מתכת} · T _מתכת · _{מתכת מתכת} )

הלא ידוע הוא Ce _Metal , מכיוון שבשיווי משקל תרמי הטמפרטורה הסופית הן למים והן למתכת זהה; בנוסף, הטמפרטורות הראשוניות של המים והמתכת ידועות לפני המגע, כמו גם ההמונים שלהן. לכן יש למחוק את Ce _Metal :

Ce _Metal = (Ce _מים · ΔT _מים · מטר _מים ) / (-ΔT _מתכת · מ ' _מטאל )

מבלי לשכוח כי Ce _מים הוא 4.184 J / ºC · g. אם ΔT _מים ו ΔT _מתכת מפותחים , נצטרך (T _ו - T _מים ) ו (T _ו - T _מתכת ), בהתאמה. המים מתחממים, בעוד המתכת מתקררת, וזו הסיבה שהשלט השלילי מכפיל את ΔT _Metal, עוזב (T _Metal - T _f ). אחרת, ל- T _מתכת יש ערך שלילי מכיוון שהוא T _f קטן יותר (קר יותר) מאשר T _Metal .

המשוואה מתבטאת סוף סוף באופן זה:

Ce _מתכת = _מים Ce · (T _f - T _מים ) · מ _מים / (T _מתכת - T _f ) · m _מתכת

ואיתו מחושבים החימום הספציפי.

דוגמא לחישוב

יש כדור של מתכת מוזרה שמשקלו 130 גרם, וטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס. זה טובל במיכל 100 גרם מים בחום של 25 מעלות צלזיוס, בתוך קלורימטר. עם הגעת שיווי המשקל התרמי, טמפרטורת המיכל הופכת ל 40 מעלות צלזיוס. חשב את ה- Ce של המתכת.

הטמפרטורה הסופית, T _f , היא 40 מעלות צלזיוס. בהכרת הנתונים האחרים, ניתן לקבוע Ce ישירות:

Ce _מתכת = (4,184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 גרם) / (90 - 40) ºC · 130 גרם

Ce _Metal = 0.965 J / ºC · g

שימו לב שחום המים הספציפי הוא כארבע פעמים מחום המתכת (4.184 / 0.965).

כאשר Ce קטן מאוד, כך נטייתו להתחמם עולה; שקשורה למוליכות התרמית וההתפשטות שלו. מתכת עם Ce גבוה יותר תטה לשחרר או לאבד יותר חום, כאשר היא באה במגע עם חומר אחר, לעומת מתכת אחרת עם Ce נמוך.

דוגמאות

להלן מחממים ספציפיים לחומרים שונים.

מים

חום המים הספציפי, כאמור, הוא 4.184 J / ° C · גרם.

בזכות ערך זה הוא יכול לקבל הרבה שמש באוקיינוס ​​והמים כמעט ולא יתאדו במידה ניכרת. התוצאה היא הבדל תרמי שאינו משפיע על חיי הים. לדוגמה, כשאתה הולך לחוף הים לשחות, גם אם הוא שטוף שמש מאוד בחוץ, המים מרגישים טמפרטורה נמוכה וקרירה יותר.

מים חמים צריכים גם לשחרר אנרגיה רבה כדי לקרר את עצמם. בתהליך זה הוא מחמם את המוני האוויר המסתובבים, ומעלה (טמפרטורה) טמפרטורות במקצת באזורי החוף במהלך חורפים.

דוגמא מעניינת נוספת היא שאם לא היינו עשויים מים, יום בשמש יכול להיות קטלני, מכיוון שטמפרטורות גופנו היו עולות במהירות.

ערך ייחודי זה של Ce נובע מקשרים מימן בין-מולקולריים. אלה סופגים חום להתפרק, כך שהם אוגרים אנרגיה. עד שהם ישברו, מולקולות המים לא יוכלו לרטוט ולהגדיל את האנרגיה הקינטית הממוצעת, הבאה לידי ביטוי בעלייה בטמפרטורה.

קרח

חום הקרח הספציפי הוא 2,090 J / ºC · גרם. כמו זה של מים, יש להם ערך גבוה במיוחד. משמעות הדבר היא שקרחון, למשל, יצטרך לספוג כמות עצומה של חום כדי להעלות את הטמפרטורה שלו. עם זאת, כמה קרחונים כיום אפילו ספגו את החום הדרוש להתכה (חום סמוי של איחוי).

אֲלוּמִינְיוּם

החום הספציפי של האלומיניום הוא 0.900 J / ºC · גרם. זה מעט נמוך מזה של המתכת בתחום (0.965 J / ºC · g). כאן נספג החום לרטט את אטומי המתכת של האלומיניום במבנים הגבישיים שלהם, ולא מולקולות בודדות המוחזקות יחד על ידי כוחות בין-מולקולריים.

בַּרזֶל

החום הספציפי של ברזל הוא 0.444 J / ºC · גרם. בהיותו פחות מאלומיניום, פירושו שהוא מציע פחות התנגדות כאשר הוא מחומם; כלומר לפני שריפה חתיכת ברזל תתחמם הרבה יותר מוקדם מחתיכת אלומיניום.

האלומיניום עמיד יותר בחימום, שומר על מזון חם יותר זמן כאשר רדיד האלומיניום המפורסם משמש לעטוף חטיפים.

אוויר

חום האוויר הספציפי הוא בערך 1.003 J / ºC · גרם. ערך זה נתון מאוד ללחצים וטמפרטורות מכיוון שהוא מורכב מתערובת גזי. כאן נספג החום לרטט את מולקולות החנקן, החמצן, הפחמן הדו-חמצני, ארגון וכו '.

כסף

לבסוף, החום הספציפי לכסף הוא 0.234 J / ºC · גרם. מבין כל החומרים שהוזכרו, יש לו ערך Ce הנמוך ביותר, פירוש הדבר שכאשר הוא מתמודד עם ברזל ואלומיניום, פיסת כסף תחמם הרבה יותר באותה עת עם שתי המתכות האחרות. למעשה, זה מתיישב בהרמוניה עם המוליכות התרמית הגבוהה שלו.

הפניות

1. סרווי וג'ווט. (2008). פיסיקה: למדע והנדסה. (המהדורה השביעית), כרך 1, לימוד Cengage.
2. וויטן, דייויס, פק, סטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה שמינית). לימוד Cengage.
3. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (5 בנובמבר 2018). קיבולת חום ספציפית בכימיה. התאושש מ: thoughtco.com
4. אריק וייסשטיין. (2007). חום ספציפי. התאושש מ: scienceworld.wolfram.com
5. R ספינה. (2016). חום ספציפי. אוניברסיטת ג'ורג'יה. התאושש מ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. ויקיפדיה. (2019). חום ספציפי. התאושש מ: es.wikipedia.org